CAMPUS REGIONAL DE RESENDE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO ÊNFASE EM PRODUÇÃO MECÂNICA

UERJ CAMPUS REGIONAL DE RESENDE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO ÊNFASE EM PRODUÇÃO MECÂNICA CAPÍTULO 2: FABRICAÇÃO DO AÇO DEPARTAMENTO DE MECÂNICA MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA IV PROF. ALEXANDRE ALVARENGA PALMEIRA UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Estrada Resende Riachuelo s/n. - Morada da Colina Resende RJ - CEP: 27.523-000 Tel.: (024) 354-0194 ou 354-7851 e Fax: (024) 354-7875 E-mail: palmeira@uerj.br

SUMÁRIO 2- FABRICAÇÃO DO AÇO... 5 2.1 Introdução... 5 2.1.1 Primórdios da Extração e Elaboração dos Metais... 5 2.2 Matérias Primas... 7 2.2.1 Minério de Ferro... 8 2.2.2 Redutor (Coque ou Carvão)... 14 2.2.3 Fundente... 20 2.2.4 Manganês... 21 2.3 Produção do Ferro Gusa... 21 2.3.1 Formato do Alto-Forno... 21 2.3.2 Equipamentos e Instalações Complementares... 23 2.3.3 Revestimento Interno dos Altos-fornos... 28 2.3.4 Operação do Alto-Forno... 29 2.3.5 Produtos e Sub-Produtos de Alto-Forno... 32 2.3.6 Técnicas para Aumentar a Produção do Alto-Forno... 34 2.4 Bibliografia 35 AAP 2-2

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1: Reconstituição de fornos de lupa (processo direto) encontrados em Altena (Alemanha) datando de 100 a.c..... 5 Figura 2-2: Esboço de forno Catalão ou rústico... 6 Figura 2-3: Esboço de forno Catalão ou rústico... 12 Figura 2-4: Unidade Dwight-Lloyd para sinterização de minério de ferro.... 12 Figura 2-5: (a) Tambor giratório de pelotização; (b) Disco giratório de pelotização.... 13 Figura 2-6: Conjunto de uma coqueria... 18 Figura 2-7: Principais produtos obtidos na destilação do carvão mineral... 19 Figura 2-8: Seção transversal típica de um Alto-Forno moderno.... 22 Figura 2-9: Equipamentos e instalações de um Alto-Forno moderno... 23 Figura 2-10: Sistema de Carregamento de um Alto-Forno... 24 Figura 2-11: Coletor-distribuidor instalado no topo dos altos-fornos... 25 Figura 2-12: Sistema de Sopro de um altos-fornos... 26 Figura 2-13: Representação esquemática de um Regenerador ou Cowper... 27 Figura 2-14: Representação das reações que ocorrem no interior do Alto-Forno.... 30 Figura 2-15: Representação da distribuição no interior do Alto-Forno, segundo a NKK. 32 AAP 2-3

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2-1: Tabela referente à composição química da crosta terrestre.... 8 Tabela 2-2: Comparação entre sinterização e pelotização.... 14 AAP 2-4

2- FABRICAÇÃO DO AÇO 2.1 Introdução ) A metalurgia pode ser definida como a ciência ou arte de extrair, economicamente, os metais de seus minérios, transformá-los e utilizá-los industrialmente. A Siderurgia pode ser definida como o ramo da engenharia metalúrgica que trata da obtenção dos produtos ferrosos. Etimalogicamente, a palavra "Siderurgia", de uso corrente nos países de origem 1atina, é ainda objeto de discussão dada a coexistência dos radicais "SIDEROS", grego, significando "céu" e "SIDUS, SIDERIS", latino, significando "ferro". 2.1.1 Primórdios da Extração e Elaboração dos Metais Egípcios: BENIPE metal do céu (4.000 a.c.); Gregos: Knossos, em Creta, cerca de 1.800 a.c.; Assírios: forno em forma de chaminé com cerca de 1,5 m de altura, em Ur (750 a.c.); Celtas: século VI e V antes de Cristo; Altena Siergerland (Alemanha): fornos de lupa produzindo cerca de 1.120 Kg de Fe (100 a.c.); Figura 2-1: Reconstituição de fornos de lupa (processo direto) encontrados em Altena (Alemanha) datando de 100 a.c.. AAP 2-5

Forjas Catalãs: dominaram a produção de ferro até o século XV (Figura 2-2); Figura 2-2: Esboço de forno Catalão ou rústico. Stückofen (Baixo Reno): surgem em 1.400 os primeiros altos fornos com produção diária em torno de 1.500 Kg. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DA PRODUÇÃO DE GUSA (ALTO-FORNO) 1.400: Aparecimento dos primeiros altos fornos (Stueckofen ou Blauofen) na Alemanha. Com capacidade em torno de 1.500 Kg de ferro gusa diários; 1.500: Instalação de um Alto-Forno, na Inglaterra, com capacidade de 1.500 Kg de ferro gusa diários; 1.619: Instalação do primeiro Alto-Forno à coque (Inglaterra); 1.700: Substituição das ventaneiras de pedra por ventaneiras de cobre; 1.754: Construção do primeiro Alto-Forno de seção circular; 1.829: Introdução do pré-aquecimento de ar nos altos fornos, elevando a capacidade dos aparelhos para 3 toneladas de ferro gusa diários; 1.850: Instalação do 1º Alto-Forno nos Estados Unidos, com capacidade de produção de 100 toneladas de ferro gusa diários; 1.880: Aparecimento de altos fornos com capacidade de produção de 140 toneladas de ferro gusa diários; AAP 2-6

1.910: Primeiras experiências com fornos de redução a arco elétrico, denominados altos fornos elétricos ; 1.921: Aparecimento, na Noruega, do forno elétrico a arco submerso, sem chaminé, denominado forno elétrico de redução ; 1.952: Construção, na cidade de Ougrée, Bélgica, do primeiro Alto-Forno de altura reduzida, visando o emprego de minério e redutor de qualidades inferiores; 1.829: Início da entrada em operação de altos fornos de grande capacidade (acima de 5.000 t/d de ferro gusa). BRASIL Afonso Sardinha: fundador da siderurgia em 1590 na cidade de Biraçoiaba, no distrito de Vila Sorocaba em São Paulo. Os fornos construídos eram semelhantes as forjas catalãs; Barão de Eschwege: primeira corrida de ferro gusa em Congonhas do campo; Real Fábrica de Ferro de São João de Ipanema: localizada em Sorocaba produzindo 920 Kg de ferro gusa/dia (1.818). Companhia Siderúrgica Nacional: fundada em 1.941 no governo de Getúlio Vargas e inaugurada em outubro de 1.946. Atualmente são empregados três processos na fabricação do ferro gusa, em função dos aparelhos ou fornos, são eles. Altos Fornos, utilizando carvão de madeira ou coque; Fornos Elétricos de Redução; Fornos de Chaminé Reduzida ou Baixos Fornos. 2.2 Matérias Primas Minério de Ferro óxidos, carbonetos, sulfetos e silicatos; Redutor carvão ou coque combustível, redutor do minério e fornece carbono; Fundente calcário; Manganês dessulfurante e desoxidante. AAP 2-7

2.2.1 Minério de Ferro INTRODUÇÃO - CROSTA TERRESTRE: É a parte externa consolidada do globo terrestre. É reconhecida duas zonas que formam a crosta nas regiões continentais. A primeira zona é a superior, chamada de sial (devido ao predomínio de rochas graníticas, ricas em silício e alumínio). A zona inferior é conhecida por sima, pelo fato de se acreditar que nesta porção da crosta haja a predominância de silicatos de magnésio e ferro. Acredita-se que a espessura da crosta (sial + sima) se encontre numa profundidade média de 35 50 Km. A crosta terrestre é formada por rochas, observa-se três tipos de rochas de acordo com sua gênese: rochas magmáticas, metamórficas e sedimentares. Proporção aproximada das rochas que ocorrem na crosta terrestre, segundo A. Poldervaart é: Sedimentos 6,2% Granodioritos, granitos, gnaisses 38,3 % Andesito 0,1 % Diorito 9,5% Basaltos 45,8% Para a identificação dos componentes químicos da crosta, é lançado mão de algumas técnicas, como exemplo, a metodologia de Clark e Washington, que consiste em se tirar a média ponderada de numerosas análises de rochas e em seguida montar uma tabela dos elementos encontrados e suas respectivas percentagens. Tabela 2-1: Tabela referente à composição química da crosta terrestre. Elemento Peso (%) Volume Químico Segundo CLARK Segundo LENZ (%) O 46,6 46,4 91,77 Si 27,7 28,4 0,80 Al 8,1 7,3 0,76 Fe 5,0 5,1 0,68 Ca 3,6 3,7 1,48 Na 2,8 1,9 1,60 K 2,6 2,5 2,14 Mg 2,1 2,4 0,56 Total 98,5% 97,7% 99,79% AAP 2-8

Devido à atividade química que os caracteriza, os metais raramente são encontrados em estado elementar. Ao contrário suas ocorrências na crosta terrestre se apresentam sob a forma de compostos químicos os mais variados (sulfetos, cloretos, silicatos, e, predominantemente, óxidos). Dependendo da localização e do grau de concentração do composto metálico, suas ocorrências podem permitir a extração do metal em condições econômicas vantajosas. Nesse caso, essas ocorrências são designadas minas e o produto da sua operação (mineração) constitui o minério. DEFINIÇÕES: Mineral: elemento (Au, Ag, Pt, Cu, Hg, etc.) ou composto ( SiO 2, CaCO 3, CaF 2, Fe 2 O 3, etc) resultante de processo inorgânicos naturais, usualmente com composição química definida, estrutura atômica característica e com outras propriedades físicas bem definidas. Minério: todo mineral ou rocha do qual se pode extrair, economicamente, um metal. MINÉRIOS DE FERRO MAIS IMPORTANTES: Hematita (Fe 2 O 3 ) óxido férrico, com ± 69,9% de Fe, é o minério mais utilizado na industria mundial; Magnetita (Fe 3 O 4 ) óxido ferroso-férrico, com ± 72,4% de Fe e possui propriedades magnéticas (pedra-imã); Limonita (Fe 2 O 3 nh 2 O) óxido férrico-hidratado, com ± 48,3% de Fe; Siderita (FeCO 3 ) carboneto de ferro com ± 47,3% de Fe; Em um minério (hematita) é possível distinguir duas frações: Mineral metalífero: composto químico portador do metal que se deseja extrair - 82%; Ganga: constituída por uma série de compostos, aos quais se associou o mineral metalífero no decorrer de sua formação. cal (CaO), sílica (SiO 2 ), Alumina (Al 2 O 3 ), enxofre (pirita -P 2 O 5 ou sulfeto de manganês - MnS), fósforo (anidrido fosfórico - P 2 O 5 ) manganês (óxido de manganês - MnO) - 13%; Umidade - 5%. AAP 2-9

BENEFICIAMENTO DO MINÉRIO Beneficiamento: série de operações realizadas nos minérios com o objetivo de alterar suas características físicas ou químicas e torna-los mais adequados ao uso. i) Beneficiamento na própria mina facilitar a extração e reduzir peso No local em que ocorre, isto é, na região próxima à mina, o minério é submetido a um primeiro tratamento, denominado beneficiamento, cujo objetivo é reduzir ao mínimo econômico os teores das impurezas (ganga). Seus objetivos são: (a) Facilitar as operações de extração do metal, que, em geral têm lugar a muitos quilômetros de distância; (b) Reduzir o frete do minério, desde a mina até a usina extrativa. As operações de beneficiamento compreendem, em geral: Britagem; Peneiramento; Lavagem; Separação magnética ou garmimétrica; Outras, dependentes da natureza da ganga e da intensidade da sua associação ao mineral metalífero. ii) Beneficiamento de aglomeração O Alto-Forno exige da carga, principalmente, isenção de finos, faixa granulométrica estreita e suficiente resistência mecânica para assegurar boa permeabilidade à coluna de carga. Dos componentes metálicos espera-se uma boa reductibilidade e levado teor de Fe, para obter-se um baixo consumo de coque. Sendo assim, este tipo de beneficiamento visa: (a) Melhorar a permeabilidade da carga do Alto-Forno; (b) Reduzir o consumo de carvão, reduzindo a quantidade de finos carregados pelo gás (c) Acelerar o processo de redução, garantindo o contato gás-sólido uniforme. AAP 2-10

Existem 4 métodos de aglomeração de minérios, são eles: Sinterização Pelotização; Briquetagem; Nodulização. Somente a sinterização e a pelotização possuem importância comercial. Uma avaliação cuidadosa dos processos, do material a ser aglomerado e do produto final desejado, bem como das condições de transporte e manuseio, é que indicarão o tipo de aglomerado mais adequado. Por exemplo, concentrados ou minérios em pó, muito finos, são melhor aproveitados em uma pelotização junto à mina. Já as sinterizações tendem a ser localizadas perto dos altos fornos, pois o sínter durante o transporte degrada-se fortemente. Conforme a aplicação, o minério é britado, na estação de beneficiamento junto à mina, entre os seguintes limites: Minério de Alto-Forno 8 a 33 mm Minérios para Sinterização 0,1 a 8 mm Minérios para Pelotização menores que 0,1 mm a) SINTERIZAÇÃO Consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa mistura com aproximadamente 5% de um carvão finamente dividido, coque ou antracita. Para melhorar a qualidade do sínter incorpora-se ainda o fundente, de modo a evitar a sua adição direta na carga do Alto-Forno. Ou seja, os insumos do processo de sinterização são: minérios (incluindo finos), poeiras, fundentes e combustível (carvão, coque ou antracita). Na sinterização a carga é colocada em grelhas que se movem a uma determinada velocidade. A carga é aquecida superficialmente, por intermédio de queimadores de gás e à medida que a mistura se movimenta, exautores colocados debaixo da carga retiram o ar através da mistura, levando a combustão da mesma (coque). Atingindo temperaturas da ordem de 1.300º a 1.500ºC que promove a ligação das partículas de minério e fundente. O resultado é um produto uniforme e poroso, denominado sínter. Ou seja, este processo consiste na aglomeração da mistura (minério + fundente + combustível) em um leito móvel, com fluxo de gás através do sólido, promovendo a passagem de uma frente de sinterização, isto é a formação de uma fase ligante (Figura 2-3). AAP 2-11

Ignição Ar Deslocamento Zona Úmida Sínter Secagem e Pré-aquecimento Calcinação Figura 2-3: Esboço de forno Catalão ou rústico. O processo de sinterização é subdividido em quatro etapas, a saber: Carregamento da mistura; Pré-aquecimento e ignição; Sinterização; Britagem e Peneiramento. Fusão Combustão: Queima do Combustível Fase líquida Redução parcial Atualmente é empregado, universalmente, o processo contínuo de sinterização desenvolvido por Dwight-Lloyd (1.908 - Figura 2-4). Atualmente os instalações de sinterização apresentam uma capacidade de produção entre 4.000 e 20.000 toneladas diárias de sínter, com esteiras de 3 a 4 metros de largura e 160 a 400 m 2 de superfície. (Erro! Indicador não Figura 2-4: Unidade Dwight-Lloyd para sinterização de minério de ferro. definido.) AAP 2-12

Sendo assim, a sinterização é realizada objetivando-se: (a) Garantir boa permeabilidade da carga do Alto-Forno; (b) Garantir o contato gás-sólido uniforme; (c) Reduzir a quantidade de finos carregados pelo gás. b) PELOTIZAÇÃO Neste caso o aglomerado possui a forma esférica, obtida pelo rolamento (em tambores, cones ou discos), de óxidos de ferro ricos, finamente moídos e umedecidos e depois submetidos à queima, a temperaturas entre 1.250º - 1320ºC, quando então a pelota é consolidada pelo inter-crescimento dos grãos e reforçada pela fase escória, resultante das impurezas do minério e dos aglomerantes eventualmente adicionados (bentonita ou cal). Ou seja consiste na fabricação de bolas ou pelotas cruas de finos de minério de alto teor ou de minério concentrado, cujo diâmetro varia entre 10 a 18 mm. Os insumos do processo de pelotização são: minérios umedecido (onde mais de 75% dos finos possuem φ < 0,06 mm 250 mesh), aglomerantes (hidróxido de cálcio ou bentonita argila branca) e o redutor (moinhas de carvão vegetal ou coque). Na pelotização distingue-se três etapas: Obtenção da granulometria desejada (moagem); Formação da pelota crua (tambores ou discos giratórios) - Figura 2-5; Endurecimento da pelota. (Erro! Indicador não definido.) Figura 2-5: (a) Tambor giratório de pelotização; (Erro! Indicador não definido.) (b) Disco giratório de pelotização. AAP 2-13

COMPARAÇÃO ENTRE SINTERIZAÇÃO E PELOTIZAÇÃO As diferenças fundamentais entre a sinterização e a pelotização são listadas na tabela abaixo (Tabela 2-2): Tabela 2-2: Comparação entre sinterização e pelotização. Sínterização Aproveitamento de finos de mineração abaixo de 8 mm até 0,25 mm e de resíduos siderúrgicos (pó de coletor, carepa, poeiras de LD, etc.); Pouca resistência mecânica e fácil degradação durante o transporte; Tamanho do sínter: 5 a 100 mm, em pedaços irregulares; 20 a 25% de finos de retorno; Pelotização Aproveitamento dos finos de mineração abaixo de 0,5 mm; Elevada resistência e baixa degradação no transporte; Tamanho da pelota: 10 a 18 mm, de formato esférico; 5 a 10% de finos de retorno; Depressão: 750 a 1.300 mm H 2 O; Depressão: 200 mm H 2 O; Queima do Combustível em contato com o minério; Pode haver formação de faialita (2FeO.SiO 2 ) com hematitas compactas. Aquecimento pelos gases quentes produzidos fora do leito de pelotização; Quase isenta de faialita. 2.2.2 Redutor (Coque ou Carvão) O combustível utilizado no Alto-Forno é o carvão - coque ou de madeira - cuja ação se faz sentir em três sentidos (a) Fornecedor do calor para a combustão; (b) Fornecedor do carbono para a redução do óxido de ferro; (c) Indiretamente, fornecedor do carbono como principal elemento de liga do ferro gusa. O coque ou carvão de madeira são introduzidos no Alto-Forno, em vez do carvão de pedra (carvão mineral ou hulha) ou da lenha, porque estes não possuem resistência suficiente para suportar as cargas dos altos-fornos, aglomerando-se facilmente, se fossem AAP 2-14

utilizados diretamente e, em conseqüência, perturbando a marcha normal do forno. Além disso, o coque e o carvão de madeira permitem que temperaturas mais elevadas sejam atingidas, por serem menos inflamáveis do que os produtos naturais dos quais se originam. Sendo assim, são desejadas as seguintes propriedades em um redutor utilizado no Alto-Forno: (a) Elevada estabilidade mecânica; (b) Alta reatividade; (c) Baixo teor de cinzas ; (d) Baixo teor de enxofre. CARVÃO VEGETAL O carvão vegetal ou "de madeira" é fabricado mediante pirólise da madeira, ou seja, quebra das moléculas complexas que constituem a madeira, em moléculas mais simples, mediante calor. O aquecimento para a carbonização da madeira é feito em fomos de certo modo rudimentares e pouco eficientes, sobretudo no Brasil, pois os subprodutos gasosos e líquidos são perdidos durante o processo. Os fornos mais difundidos no Estado de Minas Gerais, que é a principal sede da siderurgia a carvão vegetal, são do tipo fixo, com aquecimento interno e intermitente (por carga). Têm forma cilíndrica e são fabricados de tijolos refratários, sendo fechados no topo por uma abóbada também de tijolos. O calor é aplicado à madeira, com ausência de oxigênio, resultando gases (CO 2, CO, H 2, etc.), líquidos (alcatroes, ácido acético, álcool metílico) e o resíduo sólido que é o "carvão vegetal". O carvão vegetal apresenta, em média, a seguinte composição química: Cinzas 5% Matérias Voláteis 25% Carbono Fixo 70% Como se vê, é um produto de alta qualidade, mas sua resistência mecânica é relativamente baixa, de modo que os altos-fornos a carvão vegetal possuem capacidade bem menor que os baseados no coque. O maior Alto-Forno a carvão vegetal operando no AAP 2-15

Brasil e no mundo apresenta uma capacidade diária (24 horas) de 1.200 t. Quanto aos altos fornos a coque apresentam uma capacidade pouco superior a 10.000 t/dia. COQUE Definição: resíduo da destilação destrutiva (pirólise) de carvão de grau metalúrgico. O coque é obtido pelo processo de "coqueificação", que consiste no aquecimento a altas temperaturas do carvão mineral, geralmente em câmaras hermeticamente fechadas, portanto com ausência de ar, exceto na saída dos produtos voláteis. É empregado na fabricação do ferro gusa na proporção de 400 Kg por tonelada de ferro gusa. O carvão mineral é constituído sobretudo dos restos de matéria vegetal que se decompôs com o tempo, na presença de umidade, ausência de ar e variações de temperatura e pressão, por ação geológica, transformando-se, através de milênios, progressivamente, em turfa, linhito, carvão sub-betuminoso, carvão betuminoso, semiantracito e antracito. O tipo betuminoso é o mais adequado para a produção de coque, pelo processo de coqueificação. i) Carvão Metalúrgico A composição química do carvão, bem como a sua constituição petrográfica *, exercem notável influência sobre as propriedades do coque e no decorrer do próprio processo de coqueificação. Sendo assim um carvão dito metalúrgico (carvão coqueificável) deve apresentar as seguintes características: (a) Alto teor de matérias voláteis; (b) Baixo teor de cinzas (menor que 10%) e enxofre (menor que 1,0%); (c) Baixa granulometria; (d) Teor de umidade menor que 4%; (e) Constituição petrográfica equilíbrio entre vitrênio e fusênio. * A constituição petrográfica de um carvão coqueificável, é definida pela identificação microscópica e a avaliação da maior ou menor participação de cada um de seus constituintes: VITRÊNIO (aspecto homogêneo e vítreo), DURÊNIO (duro e fosco), CALARÊNIO (translúcido) E FUSÊNIO (poroso e friável). AAP 2-16

ii) Coqueificação No aquecimento às temperaturas de coqueificação e na ausência de ar, as moléculas orgânicas complexas que constituem o carvão mineral se dividem, produzindo gases e compostos orgânicos sólidos e líquidos de peso molecular baixo e um resíduo carbonáceo relativamente não-volátil. Esse resíduo resultante, pois, da destilação do carvão, é o "coque", que se apresenta como uma substância porosa, celular, heterogênea, sob os pontos de vista químico e físico. a) PRINCIPAIS OBJETIVOS DA COQUEIFICAÇÃO Dentre os vários objetivos visados no processo de coqueificação destacam-se: (a) Elevar a resistência mecânica; (b) Elevar o poder calorífico; (c) Elevar a porosidade (reatividade); (d) Baixar o teor de matérias voláteis (entre 2 e 3%); (e) Elevar o teor de carbono fixo. Finalmente, sobretudo no caso do carvão coque, o processo de coqueificação ou transformação do carvão mineral em coque origina uma série de derivados ou subprodutos, de grande valor tecnológico e comercial, que se perderiam no Alto-Forno, onde todos os componentes voláteis formados escapariam. b) PROCESSO DE COQUEIFICAÇÃO O processo de coqueificação pode ser resumido da seguinte maneira, o carvão mineral é introduzido nas câmaras de coqueificação, que são de grande comprimento, por exemplo: 13 metros e grande altura: 4 metros, mas estreitas: 45 centímetros. Essas câmaras são constituídas de material refratário e são aquecidas externamente. Elas são juntadas de modo a formar uma "bateria", a qual constitui o forno de coqueificação, compreendendo até 100 câmaras. O conjunto de uma coqueria pode ser observado na Figura 2-6. Entre cada câmara, encontra-se sempre uma de aquecimento. Os próprios gases oriundos da combustão servem como combustível. AAP 2-17

Figura 2-6: Conjunto de uma coqueria. Sob as câmaras de coqueificação, localizam-se "câmaras de regeneração", constituídas de um empilhamento de tijolos refratários, cujo objetivo é armazenar o calor dos gases queimados, de modo á aquecer ar necessário para a combustão. O tempo para a coqueificação se completar varia de 17 a 18 horas. No fim desse tempo, o coque é paulatinamente retirado por meio de uma "máquina desenfornadora" e cai sobre um "carro de apagamento", que é encaminhado para a "torre de extinção", onde jatos de água apagam o coque incandescente. (Erro! Indicador não definido.) c) PRODUTOS E SUB-PRODUTOS DA COQUEIFICAÇÃO Em média, de 1 t de carvão mineral obtém-se: Coque de Alto-Forno Coque de fino Moínha Alcatrão Sulfato de amônio 600 a 650 Kg 50 a 100 Kg 40 a 75 Kg 30 a 45 Kg 10 a 14 Kg AAP 2-18

Óleos leves 78 a 125 l Gás 310 a 360 Nm 3 Os produtos da destilação do carvão mineral estão representados na Figura 2-7: Figura 2-7: Principais produtos obtidos na destilação do carvão mineral. AAP 2-19

2.2.3 Fundente A função do fundente é tornar certas substâncias presentes no minério (sílica, alumina, etc.) mais fusíveis e combinar-se com as impurezas do minério (ganga) e com as cinzas do carvão, formando as chamadas "escórias". CLASSIFICAÇÃO DOS FUNDENTES i) Ácidos São constituídos de sílica (SiO 2 ), empregada na forma de quartzito, cascalho quartzo ou areia. A alumina (Al 2 O 3 ), em pequenas concentrações e associada à sílica. ii) Básico Os principais fundentes básicos utilizados na fusão primária são o carbonato de cálcio, conhecido como calcita ou calcário (CaCO 3 ), o carbonato de magnésio ou magnesita (MgCO 3 ) e o carbonato duplo de cálcio e magnésio ou dolomita (CaCO 3 MgCO 3 ). iii) Neutro Estes fundentes são empregados quando se deseja aumentar a fluidez de uma escória sem alterar o caráter da mesma (ácido ou básico). O exemplo típico de um fundente neutro é a fluorita ou fluoreto de cálcio (CaF 2 ). PRINCIPAL FUNDENTE UTILIZADO NA PRODUÇÃO DE FERRO GUSA O principal fundente é o calcário, de fórmula CaCO 3, o qual, para emprego direto no Alto-Forno, deve apresentar a seguinte composição média: CaO 48%; MgO 10% máx.; SiO 25%; Al 2 O 3 1,5% máx.; P 0,05% máx.; S 0,05% máx.; Fe 2 O 3 até 3%. AAP 2-20

2.2.4 Manganês O manganês é adicionado no Alto-Forno com o objetivo de desoxidar e dessulfurizar o banho, e de certo modo atuar como redutor. O tipo mais importante é a pirolusita ou óxido de manganês, basicamente MnO 2, cujo teor de manganês varia de 30 a 50%. Sendo assim, o consumos médios de minério de manganês, por tonelada de gusa produzido no alto forno, atingem, em média: 20 Kg, quando o minério é diretamente adicionado com a carga; 15 Kg, quando o minério de manganês é adicionado ao sínter. 2.3 Produção do Ferro Gusa O ferro gusa é obtido pela fusão primária * do minério de ferro, ou seja pela redução dos óxidos de minério de ferro, mediante o emprego de um redutor, em um equipamento chamado é Alto-Forno. 2.3.1 Formato do Alto-Forno A Figura 2-8 mostra a seção transversal de uma instalação de Alto-Forno, incluindo todo o equipamento acessório e auxiliar. Como se vê, trata-se de uma estrutura cilíndrica, de grande altura, que é constituído de quatro partes essenciais: cadinho, rampa, cuba e topo (guela ou garganta). Cadinho: corresponde à parte do Alto-Forno onde se acumulam o metal fundido e a escória, resultantes das reações que ocorrem no seu interior. O cadinho tem forma cilíndrica e é construído em chapa grossa de aço, com revestimento interno de material refratário de natureza sílico-aluminosa ou de blocos de carbono. Rampa: tem formato tronco-cônico e corresponde à zona, de certo modo, mais quente: aí a espessura do refratário é menor que a do cadinho, exigindo, em conseqüência, um resfriamento externo mediante o emprego de placas * Fusão primária ou fusão com reação (smelting): operação piro metalúrgica destinada a separar um metal de seu mineral metalúrgico. AAP 2-21

metálicas por onde circula a água. A inclinação da rampa é da ordem de 80 a 82 em relação à horizontal. Cuba: também de forma tronco-cônica, tem a seção menor voltada para cima, no topo ou goela. A cuba é constituída de um revestimento de tijolos refratários de grande espessura, devido ao desgaste; essa espessura é maior na parte inferior e vai diminuindo progressivamente até perto do topo. Ela é suportada por uma carcaça metálica formada de anéis soldados, a qual suporta o peso e os esforços mecânicos que se verificam no topo do forno, transmitindo-os, através de colunas, às fundações. Topo: também chamada de goela ou garganta, situada na parte superior do forno, destina-se a receber a matéria prima sólida carregada. No topo do Alto-Forno situa-se o sistema de carregamento. Figura 2-8: Seção transversal típica de um Alto-Forno moderno. AAP 2-22

2.3.2 Equipamentos e Instalações Complementares A Figura 2-9 a instalação de Alto-Forno, incluindo os equipamentos e instalações complementares. Para que se possa realizar com eficiência a redução do minério de ferro a alta temperatura, o Alto-Forno exige uma série de equipamentos e instalações complementares. Estes sistemas são os seguintes: Sistema de Carregamento; Sistema de Sopro; Sistema de Limpeza de Gases; Sistema de Resfriamento; Sistema de Vazamento. Figura 2-9: Equipamentos e instalações de um Alto-Forno moderno. SISTEMA DE CARREGAMENTO O Sistema de Carregamento é composto dos seguintes equipamentos (Figura 2-10): Casa de Silos: à qual são encaminhadas as matérias primas a serem carregadas no forno. Este equipamento é dotado de peneira, balanças, etc.. AAP 2-23

Elevador de Cargas: destinado a transportar a matéria prima da casa de silos ao topo do Alto-Forno. Coletor-distribuidor: situado no topo do Alto-Forno, através do qual a matéria prima é recebida e uniformemente carregada no interior do forno, sem perdas dos gases resultantes da redução. Figura 2-10: Sistema de Carregamento de um Alto-Forno. O ciclo de operação do Coletor-distribuidor compreende três etapas, a saber (Figura 2-11): 1ª Etapa: a carga de um "skip" ou de um trecho da correia transportadora (minério, coque ou fundente) é transferida para uma tremonha cilíndrica, fechada inferiormente por um pequeno sino de aço fundido. Ao mesmo tempo, uma válvula de escape é acionada com a finalidade de conduzir à pressão atmosférica o volume do coletor compreendido entre o pequeno sino de vedação da tremonha e o grande sino do vedação do fundo do distribuidor; AAP 2-24

2ª Etapa: abertura da tremonha por descida do pequeno sino e conseqüente transferência da carga para o distribuidor, seguido de elevação do sino para fechamento do distribuidor; 3ª Etapa: injeção de gás no distribuidor de modo a igualar a pressão interior dessa unidade a pressão interna do topo do Alto-Forno, seguida de abertura por descida do grande sino. Terminado o carregamento, o grande sino volta a posição inicia1 (de vedação do distribuidor) e a operação é reiniciada com outro item de matéria prima. Figura 2-11: Coletor-distribuidor instalado no topo dos altos-fornos. SISTEMA DE SOPRO O ar necessário à combustão do carvão ou coque, antes de ser introduzido no alto forno, através das ventaneiras, sofre um pré-aquecimento, entre 800 e 1.200 C, com a finalidade de: (a) Diminuir a quantidade de carvão ou coque de uma fração equivalente à necessária para gerar o calor necessário para gerar o calor necessário ao aquecimento de ar; (b) Aumentar a velocidade das reações de oxidação; (c) Reduzir as perdas de calor provocadas pelo volume de nitrogênio contido no ar (70%). AAP 2-25

O Sistema de Sopro é composto dos seguintes equipamentos (Figura 2-12): Turbo-soprador; Regeneradores ou Cowper ; Anel de Vento; Tubos de Ligação; Ventaneiras Figura 2-12: Sistema de Sopro de um altos-fornos. Um dos acessório mais importantes corresponde aos Regeneradores de Calor ou Cowper. A Figura 2-13 mostra esquematicamente um desses aparelhos, os quais são, em princípio, aparelhos armazenadores de calor. São constituídos de uma câmara de AAP 2-26

combustão em que o gás do Alto-Forno é queimado juntamente com ar. Ao atingir a cúpula do regenerador, o gás muda de direção e atravessa, no sentido descendente, a outra seção do regenerador ou seja uma câmara de empilhamento de tijolos refratários, cedendo calor aos tijolos que atingem temperaturas da ordem de 1.400 C, após cerca de 1 h 30 min. Uma vez atingida essa temperatura, interrompe-se, por intermédio de válvulas, a entrada de ar e gás na câmara de combustão e promove-se a entrada de ar sob pressão, pela parte inferior da câmara de empilhamento. O ar, ao atravessar os tijolos aquecidos, vai-se aquecendo, muda de direção ao chegar à cúpula do regenerador e desce pela câmara de combustão até atingir o terço inferior desta, de onde sai para o Alto-Forno, através da válvula de ar quente. Normalmente, uma instalação de Alto-Forno é equipada com pelo menos três regeneradores; enquanto dois estão sendo aquecidos, o terceiro cede calor ao ar sob pressão. Figura 2-13: Representação esquemática de um Regenerador ou Cowper. AAP 2-27

SISTEMA DE LIMPEZA DE GASES O Sistema de Limpeza de Gases é composto dos seguintes equipamentos: Coletor de poeiras: cuja função é recolher a grande quantidade de poeiras carregadas nos gases. Num Alto-Forno de 1.600 t/dia de ferro gusa, a quantidade de poeiras arrastada pelos gases situa-se em tomo de 100 t/dia.tó; Lavador; Precipitador Eletrostático. SISTEMA DE RESFRIAMENTO Com o objetivo de se proteger o revestimento externo do Alto-Forno, prolongando a vida da parede refratária interna e das ventaneiras de cobre, toda a região do Alto-Forno submetida a temperaturas superiores à 900ºC é refrigerada a água. O Sistema de Resfriamento projetado para essa finalidade é constituído dos seguintes elementos: Chuveiro; Camisa d água; Placas de refrigeração; Torre de resfriamento. SISTEMA DE VAZAMENTO De um modo geral, o sistema de vazamento de um Alto-Forno compreende: Orifícios e calhas de vazamento; Pátio de vazamento; Transporte de gusa e da escória (panelas e carros-torpedo); Sistema de beneficiamento da escória; Seção de lingotamento de gusa (em alguns casos). 2.3.3 Revestimento Interno dos Altos-fornos Os fornos utilizados na fusão primária, bem como as unidades auxiliares (panelas, canais, regeneradores, chaminés, etc.) exigem espessas paredes de materiais refratários AAP 2-28

com características diversas, sujeitas a severas condições de trabalho, na maioria dos casos em operação continua. Do numeroso elenco de propriedades que, teoricamente, deverão ser plenamente satisfeitas por qualquer refratário siderúrgico, são apontadas as mais significativas: (a) Elevadas temperaturas de amolecimento e fusão; (b) Elevada resistência à esfoliação térmica ("spalling"); (c) Baixa condutibilidade térmica; (d) Baixo coeficiente de expansão; (e) Elevada resistência à corrosão por ataque químico (liga, escória, gases, etc.); (f) Permeabilidade mínima; (g) Elevadas propriedades mecânicas; (h) Custo razoavelmente baixo. Tal como as escórias, os materiais refratários também admitem a classificação em: Refratários ácidos: tijolos ou argamassas silicosos ou sílico-aluminosos; Refratários básicos: tijolos ou argamassas de magnésia (MgO), cal (CaO), óxido duplo de cálcio e magnésio (CaO MgO); Refratários neutros: tijolos ou argamassas cromita (FeO Cr 2 O 3 ) e grafita; 2.3.4 Operação do Alto-Forno PARTIDA DO ALTO-FORNO A operação do Alto-Forno é iniciada com o aquecimento dos regeneradores previamente, de modo que um dos meios de secar o Alto-Forno consiste em soprar-se ar quente dos regeneradores, através das ventaneiras, durante 10 a 15 dias, até que a temperatura em torno de 600 C seja alcançada. A primeira carga de matéria-prima apresenta uma proporção maior de coque para acelerar o aquecimento do revestimento refratário, assim como para formar uma quantidade maior que a normal de escória. À medida que a combustão do carvão progride, a proporção dos vários elementos constituintes da carga é modificada até atingir-se a normal. AAP 2-29

FUNCIONAMENTO EM REGIME PERMANENTE DO ALTO-FORNO São carregados, alternadamente, pelo topo: minério de ferro (ou pelotas ou sínter), coque (combustível e redutor) e fundente. Num Alto-Forno, existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações que se verificam: uma corrente sólida, representada pela carga que desce paulatinamente e uma corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente (Figura 2-14). Figura 2-14: Representação das reações que ocorrem no interior do Alto-Forno. As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de 1.800 C a 2.000 C. Nessa região, verifica-se a formação do CO 2 originando-se grande quantidade de calor. Esse CO 2, ao entrar em contato com o coque incandescente, decompõe-se: CO 2 + C 2C0 O CO originado é o elemento redutor. A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente, sofre uma secagem, inicialmente, pela remoção, AAP 2-30

da água higroscópica e, a seguir, remoção da água de hidratação, remoção essa que se completa somente por volta de 500 C. A decomposição dos carbonatos, contidos no calcário dá-se a aproximadamente 800 C, conforme as reações seguintes: CaCO 3 Ca0 + C0 2 MgCO 3 MgO + CO 2 Além de CO como agente redutor, o próprio carbono do carvão atua nesse sentido. As reações são as seguintes: ou ou 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe3O4 + CO 3FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2 Fe 2 O 3 + 3C 2Fe + 3CO Uma parte do óxido de ferro chega à zona de fusão sem sofrer redução, incorporando-se à escória. Até atingir a zona de fusão, o ferro, em grande parte já reduzido, ainda está no estado sólido em forma esponjosa. Na região que corresponde ao topo da rampa, inicia-se 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. Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa a gotejar através dos interstícios da carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho. Logo acima das ventaneiras, em contato com o coque incandescente, ocorrem as reações que podem ser observadas na Figura 2-14, numa faixa de temperatura que vai de 1.200 C a 1.500 C. Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações: 3Fe + C Fe 3 C 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO 2 Que ocorrem quando o ferro chega à zona de elevada temperatura da rampa. Forma-se, assim, o ferro gusa, ao qual se incorporam ainda os elementos manganês, silício, fósforo e enxofre. AAP 2-31

Figura 2-15: Representação da distribuição no interior do Alto-Forno, segundo a NKK 2.3.5 Produtos e Sub-Produtos de Alto-Forno PRODUTOS DE ALTO-FORNO O principal produto do AltoForno é o ferro gusa, cuja utilização é feita nas aciarias, para onde é encaminhado no estado líquido e transformado em aço; o ferro gusa é ainda utilizado no estado sólido ou líquido como principal matéria prima das fundições de ferro fundido. Ferro Gusa: ou gusa é uma liga de ferro-carbono não maleável, com teor de carbono compreendido entre 3,5 e 4,5%, obtido pela redução do minério de ferro em temperatura elevada (superior à 1.300 C). De um modo geral, a maioria dos ferros gusas possíveis de serem obtidos em altoforno está compreendida na seguinte faixa de composição: Carbono (C) 3,0 a 4,5%; Silício (Si) 0,5 a 4,0%; Manganês (Mn) 0,5 a 2,5%; Fósforo (P) 0,05 a 2,0%; Enxofre (S) até 0,2%. AAP 2-32

SUB-PRODUTOS DE ALTO-FORNO A redução do minério de ferro em altos-fornos promove a formação de dois importantes sub-produtos: Escória: cerca de 500 Kg/t de gusa produzido; Gás combustível: cerca de 500 m 3 /t de gusa produzido. i) Escória As escórias são produtos não-metálicos resultantes das reações entre a ganga de um minério ou combustível e o fundente constituindo soluções homogêneas no estado igneo e que ocorrem nos processos de fusão primária e de refino. a) PRINCIPAIS FUNÇÕES DA ESCÓRIA Dentre os várias funções da escória destacam-se: (a) Reagir, com, e reter as impurezas; (b) Evitar o contato do banho metálico com a atmosfera, muitas vezes oxidante; (c) Reduzir a perda de temperatura do banho metálico. b) PRINCIPAIS PROPRIEDADES DA ESCÓRIA Para desempenhar devidamente suas funções, uma escória deve apresentar as seguintes características: (a) Temperatura de fusão adequada; (b) Temperatura de formação baixa; (c) Densidade baixa; (d) Imiscibilidade com outras fases líquidas; (e) Teor de óxidos do metal o menor possível; (f) Viscosidade baixa; (g) Calor específico baixo. c) COMPOSIÇÃO TIPICA DA ESCÓRIA DE ALTO-FORNO SiO 2 29 a 38%; Al 2 O 3 10 a 22%; CaO + MgO 44 a 48%; AAP 2-33

FeO + MnO 1 a 3%; CaS 3 a 4%. d) PRINCIPAIS APLICAÇÕES DA ESCÓRIA DE ALTO-FORNO A escória de alto-forno, depois de solidificada, pode ser empregada em: Construção Civil: fabricação de blocos pré-moldados, lastro de ferrovias, aterros, etc. Fabricação do Cimento Portland; Isolante Térmico (lã de vidro). ii) Gás de Alto-forno É um sub-produto muito importante, devido ao seu elevado poder calorífico. Em geral, procura-se manter a relação CO/CO 2 entre os limites 1,3 e 1,7 para o perfeito controle das velocidades das reações e para se obter um poder calorífico condizente com suas aplicações. Uma análise típica de gás de alto-forno é apresentada a seguir: CO 2 17%; CO 23%; N 2 55%; H 2 2%; H 2 O 3%. 2.3.6 Técnicas para Aumentar a Produção do Alto-Forno Para se aumentar a produção do alto-forno, além da utilização crescente na carga do sínter ou pelotas, outras técnicas vêm sendo empregadas, tais como: (a) Elevação da temperatura do ar soprado e controle da sua umidade; (b) Injeção de combustível, através das ventaneiras; (c) Adição de oxigênio no ar; (d) Operação em alta pressão. AAP 2-34

2.4 Fluxograma de Produção do Aço-Inox Figura 2-16: Fluxograma de Produção do Aço-Inox. AAP 2-35

2.5 Bibliografia CHIAVERINNI, VICENTE Tecnologia Mecânica Vol III, Ed McGraw-Hill, 2ª Edição, São Paulo, 1986, 388 pp. AAP 2-36