Aula 2 - PROCESSOS DE PREPARAÇÃO DE MATÉRIAS PRIMAS SIDERÚRGICAS

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Afonso Celso Fenandes Reis
PROCESSOS DE PREPARAÇÃO DE MATÉRIAS PRIMAS SIDERÚRGICAS
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Sumário
1.  INTRODUÇÃO (objetivo e justificativa)
2. As matérias primas nos processos siderúrgicos integrados e mini-usinas
	2.1.Minérios, aglomerados, combustíveis e redutores. 2.2.Fluxantes, escorificantes e fundentes
	2.3.Sucatas
 2.4. Desoxidantes, dessulfurantes, ferros-liga e outras adições finais. 2.5. Impurezas provenientes de outros insumos. 
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Sumário
3.Características físicas desejáveis das 	matérias primas
4. Características estruturais
5. Características químicas e 	mineralógicas.
6.    As propriedades desejadas das 	matérias primas e os seus ensaios
7.Os processos de preparação das 	matérias primas: Tratamento de 	minérios; secagem; calcinação; 	aglomeração (sinterização, 	pelotização; coqueificação 
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1.  INTRODUÇÃO
Objetivo 
fornecer informações básicas sobre as matérias primas siderúrgicas 
as influências das composições químicas, principalmente das impurezas, e da umidade na produção de aço 
características físicas desejáveis. 
processos de secagem, calcinação, aglomeração e coqueificação. 
princípios do que de descrição. 
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Justificativa
 Pouca atenção ao assunto embora com muitas conseqüências danosas .
Especificações devem ser dinâmicas e coerentes com o desenvolvimento tecnológico e com a disponibilidade-preço.
 Os fornecedores precisam entender as exigências 
 os utilizadores saberem analisar as conseqüências das pequenas alterações nas especificações
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PRODUTO:
AÇO
Propriedades mecânicas, químicas, elétricas
(COMPOSIÇÃO QUIMICA + ESTRUTUTRA)
+
Forma (chapas, barras, perfís diversos)
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Minerio Ferro: Fe2O3 + 
Ganga (SiO2, Al2O3, MgO)
+Impurezas ( P2O5)
o
Coque: C + cinza 
(SiO2+CaO+Al2O3)+
Impurezas ( S, P)
Alto Forno: transforma
Fe2O3 em Fe + Escoria
Gases:
CO, CO2, N2
Gusa (Ferro Porco)
95%Fe + 5%impurezas
(4%C, 1%Si, Mn, P, S)
Escória
CaO, SiO2, Al2O3, 
MgO, MnO, S
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Gusa
Ferro Puro
Aço (Fe+elem liga:
C,Ni,Cr,V,Mo,Nb)
Purificação(Refino):eliminação de S, C, Si, Mn, P, O, N, H
Adicionar e controlar os elementos de liga para atender às 
especificações químicas para conferir propriedades mecânicas
Conformação e tratamentos térmicos (estrutura)
Chapas,tiras, barras, perfis
Com propriedades (especificações químicas, mecânicas, metalúrgicas)
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Matérias Primas e Alto Forno
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ACIARIA
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2. As matérias primas nos processos siderúrgicos integrados e mini-usinas
 siderúrgicas integradas: minérios, redutores, combustíveis, fluxantes, sucatas, ferros-liga, desoxidantes, dessulfurantes e refratários. As utilidades são água, oxigênio e energia elétrica.
 As mini-usinas ou aciarias elétricas: sucatas, fluxantes, ferros-liga, refratários e as mesmas utilidades de uma usina integrada porém com grande consumo de energia elétrica. 
 
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2.1.Minérios, aglomerados, combustíveis e redutores.
Os minérios de ferro: hematíticos (Fe2O3), magnetíticos (Fe3O4), Ilmeníticos (FeTiO3), limoníticos (óxido de ferro hidratado) 
Os minérios brasileiros: hematiticos com altos teores de Fe (até 70%) e pouca ganga.
sem receios de exaustão. ( Brasil, África do Sul, Austrália, China, Índia etc)
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Mineração
CORPO DE MINÉRIO
Hematita + ganga
 Fe2O3 SiO2, Al2O3, CaO, 	 MgO, P, S etc.
50 a 55% Fe
Desmonte
Fragmentar o corpo 
mineral, com explosivos
Liberar a hematita da ganga
Graduar a partícula em
 função do tamanho
Separar a ganga 
da hemtita
Britagem
Classificação
Concentração 
Sinter Feed
63 a 68% Fe
0,15 a 8 mm
Pellet Feed
65 a 68%Fe
<0,15 mm
Rejeito
SiO2, Al2O3, CaO
Mgo, P, etc
MinérioGranulado
66 a 68 %Fe
8 a 50 mm
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Impurezas
Fabricação do aço: Fe puro + adições
Impurezas: eliminação (redução e refino) 
gangas.cinzas (alumina, óxido de cálcio e sílica);
 fósforo, cobre etc enxofre, silício, o manganês e o carbono. oxidação seletiva, silício, carbono e o manganês.
 As mais críticas: o fósforo e o enxofre
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2.2.Fluxantes, escorificantes e fundentes.
Escorificantes: reter as impurezas ; basicidade/acidez; potencial de oxidação
Fluxante: aumenta a fluidez e facilita as reações e separação metal-escória
Fundentes: dissolvem a escória e formam uma solução com menor temperatura líquidus. agem também como fluxantes .
Fluxantes, escorificantes e fundentes: óxidos ou carbonatos, fluoretos e eventualmente cloretos. Comentar:ambiente, balanço termico; dissolução refrat; evolução gases
 
 
 
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Impurezas
Fósforo, o enxofre, os álcalis (Na, K) e metais voláteis (Zn, Cd) e em alguns casos cloretos. 
Na aciaria: mais críticos os teores de enxofre e fósforo.
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2.3.Sucatas 
 Integradas : ~ 20% :custo e balanço térmico
 Elétricas: 100%
 Sucata
	Interna X adquirida
	As mais nocivas: S Cu, As, Sb, Ni
	Nocivas: P Zn 
 Impurezas menos nocivas: Al, Ti, Zr, Nb, 	Cr, V, Mo, W, Si, Mn, C. (oxidáveis)
		Pb, As, Sb, Cd, Hg ( volatilizáveis),
 
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2.4. Desoxidantes, dessulfurantes, ferros-liga e outras adições finais.
. DESO:: Fe-Si, Fe-Si-Mn e Al. Imp críticas:O fósforo e o enxofre
DESSU: Ca, Mg, Ca-Si, Terras Raras, CaO, MgO, Ca-Mg, Imp. Crítica: P
FeLIG: Fe-Mn, Fe-V, Fe-Cr, Fe-Mo, Fe-W, Fe-Ni, Fe-Zr, Fe-Nb (ADIÇÕES FINAIS-imp. X especificaçõesx quantidade el liga)
Fe-M-C(altoC)
Umidade
 
 
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2.5. Impurezas provenientes de outros insumos.
 
Combustíveis: S 
Os comburentes, tais como o ar e o oxigênio O, N, H.:
Reações com o refratário
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 3.Características físicas desejáveis das matérias primas 
3.1.Granulometria  :Permeabilidade; Velocidade de reação; Fluidização;  
	Transmissão térmica.; Segregação.
  
3.2. Densidade Aparente e Real 
3.3. Área superficial
 
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4. Características estruturais 
velocidades das reações metalúrgicas.cristais (grãos) pequenos, com porosidades abertas, e trincas (fissuras) são mais desejáveis que os materiais de estrutura compacta. 
Eliminações de voláteis X estrutura 
Estruturas compactas também são mais susceptíveis ao inchamento, 
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5. Características químicas e mineralógicas.
impureza X consumo m. pX escoria X energia X custos 	
compostos puros X fases minerais X atividade
fases hidratadas, umidades, matérias voláteis em matérias primas X crepitação. 
A dissolução dos ferros-liga X composição. 
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6.    As propriedades desejadas das matérias primas e os seus ensaios
 
6.1 Propriedades a frio.(manuesio, transporte, estocagem etc.)
 	tamboreamento, queda, compressão
6.2.     Propriedades a quente.(degradação, redução e reatividade)
		resistência à degradação por crepitação; 	degradação por inchamento; degradação 	por perda de resistência à compressão; 	redutibilidade e reatividade.
 
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Os processos de preparação das matérias primas.
 	.Os tratamentos de minérios
	cominuição (britagem e moagem); separação granulométrica (peneiramento e classificação); separação para concentração (flutuação, separação magnética, gravítica, por meio denso etc); separação sólido-liquido ( filtragem e decantação ou espessamento) e separação sólido-gás (filtragem, lavagem, precipitadores eletrostáticos).
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. Secagem
 Objetivo: eliminação da umidade (água superficial e água interna contidas nas porosidades) não as águas de cristalização. Tipos de água 
	Necessidade: manuseio, mistura e homogeneização, evitar hidrogênio no aço, evitar gases; evitar crepitação; segurança; econômica  
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Secagem : continuação
Consumo: endotérmico 44,5 kJ/mol de água
Qualidade: temperatura baixa 
Temperat. Max. X material X pressão 
Princípio : pressão max H20= f(oC)
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7.3. Calcinação
 MCO3 = MO + CO2  177.800 J/mol
MO. nH2O = MO + nH2O(v)
Consumo:bastante endotérmico
Qualidade: 600oC a 1100oC
Periferia da partícula para o seu interior 
Baixa condutividade térmica (controle térmico)
Efeito da granulometria
Fração calcinada 
Reatividade
 
 
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7.4. Aglomeração
Sinterização, Pelotização e Briquetagem
Utilização de finos; desempenho 	dos reatores;	permitir manuseios 	 carregamento de reatores 
Finos: mineração; concentração; moagem
Bitolados x aglomerados
 
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Sinter, pelota, briquete, nódulo
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7.4.1. Processo de sinterização de minério.
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Processo de Sinterização
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7.4.2.Processo de Pelotização.
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Pelotização
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7.5. Coqueificação 
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Evolução da coqueificação
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Sub-produtos da coqueificação
 
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RESUMO
As matérias primas essenciais para siderúrgicas integradas são: minérios, redutores, combustíveis, fluxantes, sucatas, ferros-liga, desoxidantes, dessulfurantes e refratários. As utilidades são água, oxigênio e energia elétrica.
 
As mini-usinas ou aciarias elétricas necessitam essencialmente de: sucatas, fluxantes, ferros-liga, refratários e as mesmas utilidades de uma usina integrada porém com grande consumo de energia elétrica.
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 As impurezas contidas nas matérias primas podem ser mais ou menos nocivas dependendo das dificuldades técnicas para eliminação das mesmas e dos efeitos dessas impurezas no produto final mesmo em teores bastante baixos. Podem ser classificadas segundo:
 
·       As mais nocivas: S (para sua eliminação exige condições especiais de alta basicidade e redutoras) , Cu, As, Sb, Ni (estes por serem elementos mais nobres que o ferro não podem ser eliminados, por oxidação seletiva, na fase oxidante da fabricação de aços)
 
· 
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       Nocivas: P (exige condições oxidantes e de alta basicidade), Zn (por conter teores elevados diminui o teor de ferro contido, gera mais gases, aquece as tubulações do sistema de limpeza dos gases por re-oxidação com o ar e gera mais poeiras)
 ·   Impurezas menos nocivas: elementos facilmente oxidáveis durante a fase oxidante da fabricação de aços não são críticos, principalmente se as especificações finais nos aços não exigem teores muito baixos dos mesmos, porém aumentam a quantidade de escória. Estão nesta categoria: Al, Ti, Zr, Nb, Cr, V, Mo, W, Si, Mn, C.
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Geralmente deseja-se tamanhos de partículas entre 8 a 50 mm. Partículas menores que 8 mm normalmente são aglomeradas, por exemplo, por sinterização ou pelotização. Partículas grandes levam mais tempo para as reações se completarem e as finas geram mais poeiras ou simplesmente inviabilizam alguns processos (ex. Alto-Forno).
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fornecer informações básicas sobre as matérias primas siderúrgicas 
as influências das composições químicas, principalmente das impurezas, e da umidade na produção de aço 
características físicas desejáveis. 
processos de secagem, calcinação, aglomeração e coqueificação. 
princípios do que de descrição. 
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Fig. 1 . Fluxograma simplificado para produção de minérios de ferro (1).