Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Tecnologia Metalúrgica Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes Campus de Belém Curso de Engenharia Mecânica 04/07/2017 11:01 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Capítulo VI Processos Siderúrgicos Campus de Belém Curso de Engenharia Mecânica 04/07/2017 11:01 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades 1
6.1 Introdução PROCESSOS SIDERÚRGICOS: Conjunto de processos pirometalúrgicos utilizados na extração do ferro e na fabricação de suas ligas. SIDERURGIA: Conjunto integrado dos siderúrgicos. processos As ligas à base de ferro são produzidas em maior quantidade do que qualquer outro tipo de metal, e nelas estão incluídos os aços carbono comuns, os açosferramentas, os aços inoxidáveis e os ferros fundidos. 04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA 6.1 Introdução O amplo uso das ligas à base de ferro deve-se a três fatores principais (CALLISTER, 2012): Os compostos que contém ferro ainda existem em grande quantidade no interior da crosta terrestre; O ferro metálico e as ligas de aço podem ser produzidos usando-se técnicas de extração, beneficiamento, formação de ligas e fabricação relativamente econômicas; As ligas ferrosas são extremamente versáteis, no sentido de que elas podem ser adaptadas para possuir uma ampla variedade de propriedades mecânicas e físicas. 04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA 2
6.1 Introdução A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como adicionar-lhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela civilização industrial. 04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA 6.1 Introdução A primeira etapa da siderurgia é a obtenção do ferro bruto e impuro, denominado ferro gusa, por meio da redução dos minérios de ferro. O ferro gusa possui cerca de 90% de pureza; é, portanto, o produto siderúrgico básico, pois atua como matéria prima na fabricação dos aços e dos ferros fundidos. Atualmente, a produção mundial do ferro gusa supera 1 bilhão de toneladas anuais, das quais o Brasil participa com mais de 32 milhões de toneladas anuais. 04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA 3
6.1 Introdução 04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA 6.2 Principais minérios de ferro Os principais minérios de ferro são na forma de óxidos; entretanto, podem ocorrer em menores quantidades sob outras formas (carbonatos, por exemplo): Magnetita Essencialmente peróxido de ferro (Fe 3 O 4 ); teor nominal de 72,4% de ferro; teor real entre 50 a 70% (presença de ganga); cor cinza escuro; propriedades magnéticas (facilita operações de beneficiamento). 04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA 4
6.2 Principais minérios de ferro 04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA 6.2 Principais minérios de ferro Hematita Mais comum; essencialmente trióxido de ferro (Fe 2 O 3 ); teor nominal de 69,5% de ferro; teor real entre 45 a 68% (presença de ganga); geralmente de cor avermelhada. 04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA 5
6.2 Principais minérios de ferro Limonita Essencialmente hematita hidratada (Fe 2 O 3.H 2 O); proporção de moléculas da água de hidratação entre 1 e 3; teor real entre 20 a 50% de ferro; cor marrom. 6.2 Principais minérios de ferro Siderita Pouco frequente, ocorre normalmente em pequenas proporções como componente de mistura da hematita; carbonato de ferro (FeCO 3 ); teor nominal de 48,3% de ferro; teor real entre 10 e 40%; cor gris com matizes de amarelo. 6
6.2 Principais minérios de ferro Pirita Pouco frequente e sem maior interesse siderúrgico; ocorre normalmente como componente de mistura de minérios de outros metais (minério de cobre, por exemplo); basicamente sulfeto (FeS 2 ); apresenta amarelo metálico ( ouro dos tolos ). 6.2 Principais minérios de ferro BENEFICIAMENTO Fragmentação por britagem, moagem e pulverização; Classificação por peneiramento; Concentração por separação magnética. PRÉ-EXTRAÇÃO: Desidratação a 800 C, para a limonita eventualmente presente: Fe 2 O 3. H 2 O(s) 800 C Fe 2 O 3 (s) + H 2 O(g) 7
6.2 Principais minérios de ferro Calcinação a 800 C, para a siderita eventualmente presente: FeCO 3 (s) 800 C FeO (s) + CO 2 (g) Ustulação a 1000 C, para a pirita eventualmente presente: 4FeS 2 s + 11O 2 (g) 1000 C 2Fe 2 O 3 (s) + 8SO 2 (g) e onde parte da hematita é oxidada. 3Fe 2 O 3 s + O 2 (g) 1000 C 2Fe 3 O 4 (s) 6.2 Principais minérios de ferro Aglomeração por pelotização e sinterização: blocos porosos de poucos centímetros, com cerca de 40 a 60% de ferro contido. 8
Processo de extração do ferro mais empregado: redução do seu minério (óxidos), usando-se o carbono como agente redutor, em forno especial denominado alto forno. ALTO FORNO: Sistema destinado a produzir ferro gusa em estado líquido a uma temperatura em torno de 1500ºC, com a qualidade e em quantidade necessárias para o bom andamento dos processos produtivos subsequentes Consiste essencialmente em um reator tubular vertical, no qual a redução ocorre de maneira praticamente contínua. Alimentação: Carga sólida na parte superior e ar préaquecido na parte inferior 9
Constituição da carga sólida do forno: 3 componentes básicos: Minério de ferro Geralmente à base de hematita ou mistura hematita/magnetita; teor médio de 40 a 60% de ferro contido; forma de pelotas sinterizadas; normalmente acompanhado de cerca de 10% de ganga (basicamente sílica). Fundente Geralmente à base de calcário (CaCO 3 ); atua no acerto da escória. Coque Produto obtido pelo processo de coqueificação, que consiste, em princípio, no aquecimento a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente fechadas (exceto para saída de gases), do carvão mineral. Dupla finalidade: prover o carbono redutor e o carbono combustível. 10
A redução do minério (óxido de ferro) pelo coque (carbono redutor) ocorre por meio de reações endotérmicas ( H > 0). O calor necessário à essa redução é produzido pela combustão ( H < 0) de parte do coque (carbono combustível) com o oxigênio do ar (pré-aquecido entre 800 e 1000 C) insuflado na parte inferior do alto forno. Constituintes das reações que ocorrem no alto forno: Ferro gusa Ferro em estado líquido contendo cerca de 4,5% de carbono dissolvido, além de diversas impurezas e elementos dissolvidos, tais como enxofre, fósforo, silício e manganês. Deposita-se no fundo do alto forno, de onde pode ser retirado periodicamente. Escória Mistura de óxidos em estado de fusão que, por sua menor densidade, sobrenada o banho líquido. É composto de material da ganga e do fundente. Devido a sua fluidez é retirada de tempos em tempos. Poeira Constituída essencialmente de cinzas resultantes da queima do coque e de materiais inertes contidos na ganga. Essa poeira é arrastada pelos gases quentes que sofrem uma tiragem na parte superior do alto-forno. Gases Evoluem pela parte superior do alto forno a uma temperatura da ordem de 300ºC; são constituídos essencialmente de uma mistura CO 2 e CO, e principalmente N 2. 11
Composição do ferro gusa: cerca de 4,5 % de carbono; 0,3 a 0,7 % de silício; 0,01 a 0,04 % de enxofre; no máximo 0,1 % de fósforo; e cerca de 0,15 de manganês. Composição da escória: 30 a 40 % de SiO 2 ; 5 a 15 % de Al 2 O 3 ; 35 a 45 % de CaO; 5 a 15 % de MgO; e 1 a 2 % de enxofre. Recentemente tem crescido o aproveitamento da escória de alto forno para a fabricação de cimentos e outros materiais cerâmicos. Composição do gás que escapa do alto forno: cerca de 22 % de CO; 22 % de CO 2 (razão CO/CO 2 praticamente unitária) 3 % de H 2, 50 % de N 2 e 3 % de H 2 O. Características de um alto forno atual: Dimensões: diâmetro entre 10 e 14 m; altura entre 60 e 70 m, mas existem menores. Capacidade: 13.000 toneladas/dia de ferro gusa. Vida útil: média de 15 anos (e crescendo); produtividade: alta produtividade; Consumo de combustível: relativamente baixo; Carga: geralmente da ordem de 7 vezes maior que a quantidade de ferro gusa produzida. 12
Estatística operacional genérica de um alto forno com alta produtividade: Produção: 1.000 ton/dia; Minério: 60 a 40 % de sínter e 40 a 60 % de pelotas; Combustível: da ordem de 535 kg, sendo 450 kg de coque e 85 litros de óleo. Capacidade do cadinho: 4.373 m³. Sopro de ar: 8.000 m³/min, pressão 4,3 bar e temperatura de 1.350 ºC, sendo o teor de oxigênio de até 3 %. Reações do alto forno: A redução do minério ocorre ao longo do alto forno e durante a queda da carga sólida, e é realizada por meio de diversas reações, cuja viabilidade é dada no diagrama de Ellingham, e se dão em etapas caracterizadas pelas seguintes zonas térmicas do alto forno. A. Trocador químico superior. B. Zona de reserva química. C. Trocador químico inferior. Em A e B ocorre a redução indireta (zona de preparação) e em C a redução direta (zona de elaboração). 13
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Na redução indireta a hematita Fe 2 O 3 é reduzida a magnetita (Fe 3 O 4 ) e esta a wustita (FeO). 6Fe 2 O 3 s + C s 500 C 4Fe 3 O 4 s + CO 2 g G 673 = 27 kcal mol C H 673 = +15 kcal mol C Fe 3 O 4 s + C s 1000 C 3FeO s + O g G 1273 = 17 kcal mol Fe 3 O 4 H 1273 = +145 kcal mol Fe 3 O 4 Na wustita líquida as gotas que atravessam a parte inferior do alto forno ( chuva ) são reduzidas (altas temperaturas e alto potencial redutor). FeO s + C s 1000 C Fe s + CO g G 1273 = 11 kcal mol FeO H 1273 = +35 kcal mol FeO No fundo do alto forno, na região denominada cadinho, deposita-se o ferro gusa, contendo elevados teores de C, Si, Mn, P, S e outros elementos. A escória localiza-se sobre o metal líquido, por ser menos densa. 15
6.4 Outros processos de redução Redução em forno elétrico: Países com energia elétrica barata e/ou onde o coque é oneroso ou inexistente. Como não há combustão, o coque é usado apenas como redutor, bem como não há necessidade de injeção de ar no sistema. A energia térmica necessária ao processos é provida ao sistema por meio de energia elétrica, através de eletrodos de grafita, formando um arco elétrico diretamente na carga do forno. 6.4 Outros processos de redução Grande economia de volume útil do forno. Necessita-se de um elevado consumo específico de energia elétrica (ordem de 2000 kwh/tonelada de ferro produzido. A redução do minério de ferro ocorre essencialmente com as mesmas reações químicas do processo no alto forno, com exceção da reação de combustão do coque. 16
6.4 Outros processos de redução Esquema de um forno elétrico para a redução do minério de ferro Aços-carbono: Ligas de ferro e carbono contendo, geralmente, 0,008% até aproximadamente 2,0% em peso de carbono, além de impurezas em teores menores que 0,05%, tais como: enxofre e fósforo. Aços-liga: contêm, além do ferro e do carbono, outros elementos de liga (cromo, níquel, manganês etc.) ou apresentam elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais (mais elementos de liga são adicionados intencionalmente ao aço, em concentrações específicas). 17
Pequenas variações no teor de carbono e de elementos de liga impõem ao aço propriedades específicas para determinadas aplicações. O ferro gusa é bastante heterogêneo e impuro, e os elementos químicos de sua composição, estão acima dos valores aceitáveis para ser considerado aço (Tabela). Alguns elementos componentes do ferro gusa formam compostos com o ferro, comprometendo o desempenho do produto final (aços e ferros fundidos), por exemplo: Enxofre. Forma um sulfeto (FeS) de baixo ponto de fusão, que se precipita e segrega nos contornos de grãos e que se funde à temperatura de forjamento, provocando o surgimento da fragilidade a quente no produto. Fósforo. Forma um fosfeto (Fe 3 P) de elevada dureza, provocando o surgimento da fragilidade a frio, que prejudica os processos de conformação a frio. 18
Para alcançar o objetivo de diminuir controladamente os elementos do ferro gusa, em níveis abaixo dos teores normalmente encontrados nesse material, procede-se à sua oxidação. A oxidação consiste na passagem de oxigênio (puro ou do ar) em meio à massa do ferro gusa no estado líquido, aproximadamente a 1600 C. Entre os processos mais utilizados para produção de aço em escala industrial tem-se: o processo Bessemer, o processo Thomas e o processo LD. Caracterização do Processo Bessemer : Este processo baseia-se em diminuir o C, o Si e o Mn do gusa líquido soprando ar através do banho e assim convertendo-o em aço. Por ser um processo ácido não são eliminados o P e S, por este motivo a presença desses elementos deve ser mínima. O oxigênio do ar que se combina com o C e Si do gusa gera calor suficiente para manter fundido o metal e a escória. 19
O equipamento em que se efetua este processo é chamado de conversor (Figura), suas características de construção, compreendem de uma carcaça de chapa de aços em forma de pera, revestida internamente com tijolos refratários. Normalmente usa-se refratários de sílica (ácido) para evitar a reação com a escória ácida, resultante do processo. O fundo do conversor é perfurado, para injeção de ar, e de fácil troca, já que sua vida útil, devido a severidade no uso é baixa. Algumas características técnicas do processo e do conversor: Carga = sucata (pequena quantidade) + ferro gusa (líquido); Tempo de cada corrida = 15 minutos; Pressão do ar injetado = 1,4 a 1,7 atm; Capacidade de carga do conversor 25 a 40 toneladas; Temperatura máxima utilizada no processo = 1.600ºC; Devido as reações de oxidação dos elementos químicos serem fortemente exotérmicas (principalmente a do silício), dispensa-se qualquer tipo de combustível. 20
Caracterização do processo Thomas (Bessemer básico): Processo semelhante ao Bessemer, porém é indicado para o ferro gusa rico em fósforo e com baixo teor de silício, diferindo na composição da carga, pois adicionase cal, para redução do P e S. A quantidade de cal utilizada depende do teor de Si e P. O conversor é idêntico ao Bessemer, porém o material refratário para o revestimento interno do conversor é básico (tijolos de dolomita), devido a escória resultante do processo ser básica. 21
As principais reações ocorrem nesta sequência, oxidação do Si e Mn, oxidação do C, oxidação do P. Sequência de operação: 1. carregamento de sucata (e minério, opcional); 2. carregamento de gusa líquido; 3. injeção de ar; 4. vazamento e desoxidação do aço. Caracterização do processo LD: O processo LD tem como princípio injeção de oxigênio pela parte superior do conversor. A injeção do oxigênio é realizada através de uma lança constituída de três tubos concêntricos de aço, em que O 2 passa pelo tubo central, e os dois tubos adjacentes servem para refrigeração com água. A forma do conversor é similar ao conversor Bessemer e Thomas (Figura). 22
Características técnicas do processo e conversor: Carga = sucata (pequena quantidade) + ferro gusa (líquido) + cal; Tempo de cada corrida = 40 a 50 minutos; Distância da lança a superfície do banho = 0,3 a 1,2 metros; Capacidade de carga do conversor = 100 toneladas; Temperatura máxima utilizada no processo = 2.500 ºC; Possuem sistema de tratamento de resíduos gasosos e sólidos, resultantes do processo. O oxigênio injetado tem uma pureza que varia de 90 a 95%. As principais reações ocorrem nesta ordem, oxidação do Si, oxidação do C. 23
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