Produção de Aço

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Siderurgia - Produção de Aço
Processos Unitários da Indústria Química
O que é aço?
São ligas de ferro-carbono com teor de até 2% de carbono
É utilizado para fabricar de tudo, desde automóveis e tanques de armazenagem até agulhas e peças para celulares. Além disso, os instrumentos para produção dos bens são também feitos de aço.
No Espírito Santo:
Arcellor Mittal
Gerdau
Usiminas
Grupo Simec
História
O ferro metálico era retirado de meteoritos por tribos nômades, e foi descoberto por acaso quando pedaços caíram em uma fogueira e derreteram.
Grandes mudanças na Sociedade: 
agricultura se desenvolveu com os utensílios novos
produção de armas permitiu a expansão territorial
Fluxo de Produção de Aço - Alto Forno
Produção de Ferro Gusa
Produção de aço
Lingotamento
Blocos
Barras
Tubos
=
Fluxograma
Matéria Prima
 Minério de Ferro que vem das mineradoras em formas de pelotas.
Ex: Vale e Samarco
A pelota deve possuir características específicas para cada processo produtivo.
Ex: Uso de coating no processo final da produção de pelota para garantir que esta não “cole” uma na outra no alto forno (clustering ou cacho)
Pelota Crua
Pelota Queimada
Cacho
Matéria Prima
Sinterização é a aglomeração a quente dos finos de minério.
É um produto do processo de pelotização que torna sua aplicação direta inviável.
A formação do sinter possibilita seu uso para fornos siderúrgicos
Sinter = minério (finos) + coque + cal (fundente)
Matéria Prima
Coque ou carvão vegetal exerce duas funções no processo.
Combustível: permite alcançar altas temperaturas para fusão do minério
Agente redutor: reage com o oxigênio que o minério libera, deixando apenas o Fe puro
Fundentes atuam para auxiliar a formação da escória (impurezas indesejadas ao processo)
Ex: Cal, Dolomita Calcinada e Cal Magnesiana
Coque
A obtenção do coque é feita geralmente pela própria siderúrgica. Por exemplo, a Arcellor Mittal tem a chamada Coqueria, sua planta de coque, onde ela fabrica esse composto. A formação do coque é feita pelo aquecimento do carvão mineral, depois de possuir a sua granulometria adequada para o processo, dentro de fornos sem oxigênio, com temperaturas entre 1100 e 1300ºC, e leva 16 horas para ser formado. Depois de pronto esse composto segue para os silos do alto forno para ser utilizado no processo de fabricação do ferro gusa.
Alto Forno
30 metros de altura
Tem como produtos Ferro Gusa e Escória
Separação dos produtos é feita por diferença de densidade.
Gases em contracorrente com a matéria prima.
São aparelhos modernos e possuem cerca de 30 metros. Sua parte inferior (cadinho) é onde se deposita a escória e o ferro gusa, enquanto no tronco superior temos a guela por onde a matéria prima é inserida e ocorre o processo em si. 
É onde ocorre a reação de redução formando o ferro líquido impuro (elevado teor de carbono), também chamado de Ferro Gusa e a escória.
A separação dessas duas substâncias se dá por densidade. O Ferro Gusa se deposita ao fundo enquanto a escória fica por cima, o que permite separar as duas.
Componentes
A matéria prima não é inserida no alto forno de forma homogênea. Ela é transportada pelas correias transportadoras e colocada alterando os insumos, na região da goela então seriam como se fossem camadas de coque e camadas de insumos minerais. Enquanto isso lá por baixo, o ar aquecido é soprado pelas ventaneiras, na parte de baixo, também chamada de zona de combustão. O coque ou o carvão presentes ali entram em contato com esse ar aquecido, gerando gases a elevadas temperaturas. Esses gases vão subindo e entrando em contato com a carga metálica que está descendo, na região da Cuba, reagindo e fundindo a carga metálica, que vai se tornando pastosa, originando o ferro gusa e a escória, que são vazados pelos furos da base do alto forno para o cadinho e separados por diferença de densidade.
Funcionamento
Detalhando o Alto forno: A carga entra composta de minério de ferro, coque e fundente.
Entre 300ºC e 350ºC temos a dessecação, onde o vapor de água contido na carga é liberado.
Entre 350ºC e 750ºC ocorre a redução onde o óxido de ferro perde o oxigênio
Entre 750ºC e 1150ºC temos a carburação, onde o ferro se combina com o carbono formando a gusa
Entre 1150ºC e 1800ºC ocorre a fusão, onde a gusa passa para o estado líquido
Em torno dos 1600ºC ocorre a liquefação, onde a gusa se separa da escória
Então o Coque como foi dito, tem dois papéis nesse processo. É ele que produz os gases aquecidos que vão fornecendo o calor para o processo, e é ele que realiza a redução do minério. Então, o carbono, que está presente no Coque, vai retirando o oxigênio que está ligado com o ferro, chegando em um produto que consiste em apenas Ferro, ainda com impurezas mas sem o oxigênio, que chamamos de ferro gusa.
Gases Resultantes
Gases que saem do alto forno são ricos em Gás Carbônico e Poeira.
Para ser utilizado ele precisa ser tratado antes.
É utilizado:
Coletores de Pó
Torres de Lavagem
A primeira fase da depuração, no coletor de pó, submete a corrente gasosa a uma súbita desaceleração. As poeiras mais pesadas depositam-se no fundo do recipiente. O pó é retirado do fundo do coletor por meio de um sistema de válvula dupla (para evitar a perda de pressão).
As torres de lavagem são reservatórios cilíndricos que contém em seu interior chicanas de madeira, anéis de Rasching, vidro quebrados, de modo a criar um percurso mais acidentado e demorado para que o líquido de lavagem, borrifado por meio de chuveiros no topo da torre possa encontrar o gás que sobe em contra corrente.
O gás limpo contém menos de 0,01 g de material sólido por Nm3 .
Ferro Gusa
É um dos produtos do Alto Forno
Possui alto teor de carbono por conta do coque do processo 
Outras impurezas: Carbono, Silício, Manganês, Fósforo e Enxofre
Escória de Alto Forno
É o outro produto do processo.
É menos denso que o Gusa
Utilizado para produção de cimento (CPIII)
Carros Torpedos 
O ferro gusa é transportado por carros torpedos (CT’s) que são vagões feitos de elemento refratário.
 Material refratário é um material capaz de manter sua resistência a altas temperaturas. São utilizados em revestimentos de fornos, incineradores e reatores.
Dessulfuração
Retirada de enxofre para teor adequado. 
É injetado um pó dessulfurante rico em magnésio e cal. 
Demora de 10 a 12 minutos. 
O excesso de enxofre no aço altera as propriedades mecânicas do material.
Após sair do Alto forno, ele é levado para um setor de Dessulfuração, ou seja, retirada de enxofre para teor adequado. É injetado um pó dessulfurante rico em magnésio e cal. Demora de 10 a 12 minutos. O ferro gusa segue então para a aciaria para ser transformado em aço. 
Aciaria
Conversor LD
Reaproveitamento de sucata de recirculação
Adiciona o Ferro Gusa
Injeção de oxigênio no gusa líquido (Sopro - 20 minutos)
Transformação em Aço
Ferro Gusa
Aço
É na aciaria que ocorre a transformação do ferro gusa em aço, através da injeção de oxigênio puro sob pressão no banho de gusa líquido dentro de um conversor.
Essa reação se baseia na redução da gusa através da combinação de elementos de liga existentes (silício, manganês) com o oxigênio soprado, o que provoca uma grande elevação na temperatura, atingindo aproximadamente 1700ºC
Os gases resultantes do processo são queimados logo na saída do equipamento e os demais resíduos indesejáveis são eliminados pela escória, que fica na superfície do metal
Após outros ajustes finos na composição do aço, este vai para a próxima etapa que é o lingotamento contínuo.
A sucata ela é utilizada como material refrigerante. O sopro dura cerca de 20 minutos.
Conversor LD
O processo do LD tem como intuito diminuir os teores de carbono e fósforo do gusa. Na fase inicial do sopro, que é feito por cima, ocorre a oxidação do silício, a oxidação parcial do carbono e do manganês, enxofre e fósforo. Após essa fase, é feito um sopro por baixo, por onde é feito a injeção de gás inerte, geralmente argônio e nitrogênio, com oobjetivo de aumentar a interação entre o carbono e o oxigênio,permitindo a redução dos níveis de carbono.
Conversor LD
(Conversor sendo Carregado)
Conversor LD
Refino Secundário - Forno Panela
Refino secundário
Adição de ligas e fundentes
Responsável por:
Acerto da composição química
Acerto da temperatura
Limpeza do aço
Retirada de gases
O aço formado no conversor é transferido para uma panela onde será feito os ajustes finais. Ocorre a adição de ligas, cada uma adicionada para proporcionar uma característica específica ao aço. Quando você faz a adição das ligas, é necessário fundi-las, porém no conversor LD, não temos a energia necessária para fazer essa fusão porque a fonte de energia lá é limitada. Dito isso têm-se dois caminhos para tratar o aço, o caminho pela forno panela e pela desgaseificação a vácuo. No forno panela, a fonte de energia é elétrica e ela supre essa necessidade de energia do conversor. O aço produzido nesse processo é de alta qualidade.
Forno Panela
Desgaseificação a vácuo
Exigência de teores específicos para os aços.
O VD (Vacuum Degassing) abaixa a pressão e retira os gases.
É injetado argônio no sistema.
Por fim, passa pela etapa de rinsagem (borbulhamento de argônio)
Aços com alto grau de pureza.
As inclusões que ainda estão no banho metálico, são carregadas para cima, juntando-se a escória.
Lingotamento contínuo
O lingotamento contínuo consiste no vazamento do aço líquido em um molde vertical de cobre refrigerado para a troca de calor e na extração simultânea da casca solidificada que contém aço líquido em seu interior. Gerando um produto semi-acabado, e o processo segue para a laminação ou corte direto com uma tocha de oxi-acetileno.
 
O lingotamento pode ser de dois tipos, convencional ou contínuo 
Vamos explicar sobre o contínuo 
Sua principal função é interligar a aciaria aos processos de transformação mecânica, transformando o aço líquido em semiprodutos sólidos ou produtos acabados, através da extração de calor contido no aço líquido vazado no molde resfriado à água e através do resfriamento secundário, provocando solidificação progressiva, da superfície para o núcleo.
Etapas do Lingotamento Contínuo
•Fluxo do metal líquido através de um distribuidor para alimentar o molde.
•Formação de uma casca solidificada, no molde em cobre, resfriado a água.
•Extração contínua da peça.
•Remoção de calor do núcleo ainda líquido, por meio de chuveiros de água de resfriamento.
•Corte no comprimento desejado e remoção das peças.
Vantagens do Lingotamento Contínuo
Permite menor custo de produção com melhor qualidade.
Como o aço possui uma solidificação mais rápida, ocorre uma melhoria na qualidade interna do aço.
As escamas e dobras provenientes do vazamento e da laminação primária são eliminadas, acarretando em uma melhoria na superfície da peça. 
Laminação
Quando o bloco não tem o diâmetro final ideal, ele passa por um processo de conformação de metais, passando por dois rolos giratórios que os comprimem, e têm sua espessura reduzida e seu comprimento alongado.
Neste processo o material é submetido a altas tensões compressivas, resultante da ação direta dois rolos, e a tensões cisalhantes superficiais, resultantes do atrito entre os rolos e o material.
Tipos de laminação
Laminação a quente
Realizada em temperatura relativamente alta, normalmente superior à temperatura de recristalização do material.
Executada no início do processo de laminação.
Primeira operação: realizada no laminador primário de desbaste, que recebe o lingote solidificado e o transforma numa chapa ainda bastante grossa.
Este tipo de laminador apresenta geralmente configuração de duo reversível. 
Tipos de laminação
Laminação a quente
Objetivos:
Permite o atendimento aos requisitos de Normas de produtos.
Aumenta a resistência mecânica do material 
Elimina a estrutura e defeitos de solidificação, permitindo uma ampla utilização do aço
Tipos de laminação
Laminação a frio
Realizada em temperatura ambiente, sem recristalização do material.
Objetivos:
Produção de chapas, tiras e folhas de aço com melhores tolerâncias dimensionais e microestrutura mais refinada.
Permite a obtenção de propriedades mecânicas adequadas às aplicações desses produtos siderúrgicos
Produtos da Laminação
Planos: Placas, chapas, tiras, etc.
Longos (não planos): Barras, perfis, tubos, etc.
Placas
Chapas
Perfis
Tubos
Obs.: Os produtos não planos são fabricados com o uso de laminadores específicos e diferentes dos que são utilizados na laminação plana. É o caso do laminador de barras e do laminador de perfis comerciais.
Tipos de Aço
	Aços	Características
	Aço de Usinagem Fácil	Boas propriedades mecânicas e fácil corte devido a presença de S, Mn, Pb
	Aço para Molas	Alta elasticidade, alta resiliência,, resistência mecânica e a fadiga.
	Aços Inoxidáveis	Alta resistência a corrosão. Teor mínimo de cromo de 12%.
	Aços de Fins elétricos e Magnéticos	Fabricação de núcleos de equipamentos eletromagnéticos. Alto teor de silício.
Outros processos
Redução Direta
Produto: Ferro Esponja em estado sólido
Combustível: Gás natural
Usado na fabricação de aço
Desvantagens: Menor volume de produção e maior presença de impurezas
Vantagens: Mais barato por conta do gás natural porém mais uso de energia elétrica e menos emissão CO2
Ferro Esponja
Forno Rotativo de Redução Direta
Existem também outros processos para a produção de aço. Um bem comum é o de redução direta. Nesse processo, que utiliza gás natural no lugar do coque, gera um produto que possui muitas impurezas e portanto menos ferro, por isso é feito estudos para melhorar esse teor de ferro no produto final chamado Ferro Esponja. Ele possui algumas vantagens como menor produção de gás carbônico e por usar um combustível mais barato mas o volume de produção dele é menor o que o torna geralmente viável quando a produção é para exportação.
Perguntas
Quais são os produtos que saem do alto forno e como são separados?
Como o coque é obtido e qual a sua função no processo?
Referências
https://www.slideshare.net/ABIFA_CCA/todo-o-processo-de-fabricao-de-ao-e-ferro
https://www.slideshare.net/thiagopignatti/aos-e-ferros-fundidos
https://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?codConteudo=235
Slides fornecidos pelo professor