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Disciplina: MIN238 – 11 ENGENHARIA DE PROCESSOS (Mineração) I - Semestre de 2010 Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas Departamento de Minas ALTO FORNO Alto forno Um alto-forno é, um reator tipo chaminé (cuba), essencialmente, um enorme gasogénio em que, ocorre, simultaneamente, a redução de um minério e a formação de uma escória. O funcionamento é contínuo. Minério de ferro Fundentes Coque (CV) Ar Vapor de água Gases secos Vapor de água nos gases Gusa Poeiras Escória Alto forno Um alto-forno é, um reator tipo chaminé (cuba), essencialmente, um enorme gasogénio em que, ocorre, simultaneamente, a redução de um minério e a formação de uma escória. O funcionamento é contínuo. Minério de ferro Fundentes Coque (CV) Ar Vapor de água Gases secos Vapor de água nos gases Gusa Poeiras Escória Siderurgia – Alto Forno Estrutura do alto-forno: 1- Goela: topo do forno reforçado para manter os dispositivos de carregamento e distribuição da carga e receber os impactos destes. 2- Cuba: secção tronco cônica 3- Ventre: região cilíndrica sobre a rampa (opcional). 4- Rampa: revestida de refratários e sistemas de resfriamento interno; é a zona de fusão dos materiais (gotejamento). 5- Cadinho: tem forma cilíndrica, revestida de refratários (grafita) recebe o metal fundido e a escória formada. 6- Ventaneiras :aberturas nas paredes do forno, onde dispositivos de soprado injetam ar quente e/ou combustível (gás, carvão). 1 2 3 4 5 6 Siderurgia – Alto Forno Temperaturas no forno: 1- Goela: < 500 ºC 2- Cuba: entre 700 ºC a 1000 ºC (metade) 3- Ventre: 1000 ºC e 1200 ºC; na região próxima aos sopradores a temperatura supera os 1500 ºC. 4- Rampa: 1200ºC e 1400 ºC, pode chegar aos 1800 ºC. Formação de sistema metal – escória – coque. 5- Cadinho: zona de estrato metal-escória entre 1500 – 1600 ºC. 6- Ventaneiras : 500 ºC a 1000 ºC. 11 66 33 44 22 55 Introdução à Siderurgia Durante o restante do seu caminho pelo Alto-Forno, o gás ascendente suprirá calor para as camadas de carga metálica descendentes, saindo no topo do forno ainda com temperaturas acima de 100°C. O Alto-Forno é um reator que utiliza o princípio de contracorrente, onde, gases em ascensão reagem e transferem calor para sólidos e líquidos descendentes. Reator O ar prèaquecido (torno 1.000ºC) è soprado pelas ventaneiras. Produz dióxido de carbono que reage com o carvão formando monóxido de carbono. A umidade do ar, reage com o carvão, formando CO e H2 Reações endotérmicas que geram uma região de alta temperatura aprox. 1850ºC (raceway) Reator Siderurgia – Alto Forno – Principais reações ~ 470°C: 2Fe 2O3 + 8CO = 4Fe + C + 7CO2 ± 550°C: 3Fe 2O3 + C = Fe3O4 + CO 3Fe2O3 + CO = Fe3O4 + CO2 ~ 620°C: Fe 3O4 + C = 3FeO + CO Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 620°C a 800°C: FeO + C = Fe + CO FeO + CO = Fe + CO2 ± 870°C: CO 2 + C = 2CO 900°C: H 2O + C = CO + H2 (água contida) > 970°C: CaCO 3 = CaO + CO2 MgCO3 = MgO + CO2 > 1070°C: Fe 2O3 + 3C = 2Fe + 3CO Fe2O4 + C = 3FeO + CO FeO + 3C = Fe + CO > 1200°C: MnO + C = Mn + CO SiO2 + 2C = Si + 2CO P2O5 + 5C = 2P + 5CO > 1260°C: aglomeração de óxidos � escória > 1350°C: fusão da carga (menos o coque) ~ 1550°C: O 2 + C = CO2 CO2 + C = 2CO H2O + C = H2 + CO ~ 2000°C: FeS + CaO + C = Fe + CaS +CO Siderurgia – Alto Forno – Principais reações (simplificada) Entrada de ar nas ventaneiras, com temperaturas próximas a 1500°C: fornece combustível e calor. O2 + C = CO2 CO2 + C = 2CO H2O + C = H2 + CO Redução do minério a ferro metálico 2Fe2O3 + 8CO = 4Fe + C + 7CO2 3Fe2O3 + C = Fe3O4 + CO 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + C = 3FeO + CO Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + C = Fe + CO FeO + CO = Fe + CO2 Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO Fe2O4 + C = 3FeO + CO FeO + 3C = Fe + CO O CO2 de várias reações reage com carvão CaCO3 = CaO + CO2 MgCO3 = MgO + CO2 CO2 + C = 2CO água contida forma combustível H2O + C = CO + H2 Siderurgia – Alto Forno – Principais reações (simplificada) Redução do silício, fósforo e manganês A baixas temperaturas: 2MnO2 + C = 2MnO + CO2 A altas temperaturas 2MnO + C = 2Mn + CO2 SiO2 + 2C = Si + 2CO P2O5 + 5C = 2P + 5CO Praticamente todo o fósforo é incorporado no ferro gusa Escoriamento (aglomeração de óxidos) CaO + SiO2 = CaSiO3 (escória) Dessulfurização FeS + CaO + C = Fe + CaS +CO Alto forno: Exemplo de balanço de materiais baseados em 100,0 Kg de gusa obtidos Minério (212,70 Kg) Fe2O3 54,93% FeO 8,48% CaO 9,58% Mn3O4 4,97% Al2O3 3,00% MgO 1,83% SiO2 4,92% H2O 4,48% CO2 7,81% Carvão de madeira (110,0 Kg) C 86,89% O 3,15% H 0,51% H2O 7,00% Cinzas 2,00% Gusa (100,0 Kg) C 3,12% Si 1,52% Mn 2,22% Fe 93,14% Fundente (13,9 Kg) Fe2O3 3,90% CaO 0,53% Al2O3 3,00% SiO2 78,38% H2O 3,20% Ar (455,20 Kg; 15,79 mol) CO 2 12,62% CO 25,56% CH4 0,69% H2 1,34% N2 59,79% Escória (63,76 Kg) FeO 6,00% CaO 32,10% MnO 10,90% Al2O3 13,00% MgO 6,10% SiO2 28,40% Cinzas 3,50% Gases secos (617,2 Kg ; 20,77 moles) Alto forno: Exemplo de balanço de materiais baseados em 1.000,0 Kg de gusa obtidos Minério (1.700 Kg) Carvão (500,0 Kg) Gusa (1000,0 Kg) Fundente Calcáreo CaCO3 (250,0 Kg) Ar (2.000 Kg) Escória (entre 200 a 400 Kg) Gases secos (entre 2.300 a 3.500 Kg) A produção diária de um alto-forno (Coque) varia entre 5.000 a 10.000 ton. SIDERURGIA (matéria prima) As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes: • Minério de ferro • Combustível (Carvão, gás) • Fundentes (principalmente calcário) • Adições • Materiais de geração interna (na usina) Siderurgia – Matéria Prima Siderurgia – Matéria Prima Minério de Ferro Carvão Mineral Carvão Vegetal Fundentes e Adições Sucata de Aço Ferro-Ligas Industria Integrada Minério de Ferro Carvão Mineral, Vegetal Fundentes e Adições Sucata de Aço Ferro-Ligas Industria Semi-Integrada Sucata de Aço ou Ferro Esponja Gusa sólido Fundentes e Adições Ferro-Ligas SIDERURGIA (matéria prima – minério de ferro) É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles: Magnetita (óxido ferroso-férrico) → Fe3O4 (72,4% Fe). Hematita (óxido férrico) → Fe2O3 (69,5% Fe). Limonita (óxido hidratado de ferro) → 2FeO3.3H2O (52,3% até 60,3% ). Siderurgia – Minério de Ferro Siderurgia – Minério de Ferro - Minerais 1. MAGNETITA: Fe3O4 Cor cinza escura a preta. Contém até 72,4% de Fe. Rochas ígneas, sedimentares e metamórficas. 2. HEMATITA: Fe2O3 Cor cinza brilhante e vermelho marrom. Contém até 69,5% de Fe.Constituinte da maioria dos minérios de ferro no Brasil, é de origem metamórfico. 3. LIMONITA: Fe2O3 . nH2O Cor amarela a marrom, contém entre 52,3% até 60,3% de Fe. É um óxido hidratado com misturas variadas de goetita (αHFe2) e lepidocrocita (ßFe2O3OH2). 4. SIDERITA: FeCO3 Cor clara a cinza esverdeado. Carbonato de ferro, com 48,3% de Fe. PIRITA: FeS2 (Marcassita) Logo da ustulação na produção de ácido sulfúrico, transforma-se em óxido com até 45,0% de Fe. ILMENITA : FeTiO3 Até 36,8% de Fe. Outras substancias típicas nas jazidas: Carbonatos, Sílica, Alumina, Argila, Enxofre, Fósforo, Manganês e Magnésio BIF: rocha sedimentar ou metassedimentar química ou vulcanoquímica estratificada, 50% de Fe, camadas ritmicamente alternadas de óxidos, carbonatos ou silicatos de ferro. Itabirito: formação ferrífera bandada (BIF) metamorfisada, 30 a 55% de Fe, níveis de hematita (±magnetita) e silicatos. Itabirito duro (ID): compacto, 43,7% Fe Itabirito brando (IB): bandado – friável, 54,1% Fe Siderurgia – Minério de Ferro Siderurgia – Minério de Ferro Hematita Semibranda (HSB): minero bandado, hematita – martita, 66,7% Fe. Hematita Branda (HB): hematita cinzento- escuro, 66,3% Fe. Hematita Dura (HD): minério compacto, constituído por especularita, com ou sem óxidos ferríferos, sem quartzo,
