Produção de Aço - parte I

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Produção de Aço 
• Solução Sólida – átomos de Carbono “dissolvidos” na estrutura cristalina do 
ferro 
 
• Norma NBR 6125 seção 2.1: O aço é uma “Liga ferrosa passível de 
deformação plástica que em geral apresenta teor de carbono entre 0,008 % 
a 2 % na sua forma combinada e/ou dissolvida e que pode conter 
elementos de liga adicionais ou residuais” 
 
• Norma NBR 6125 seção 2.9: Aço Carbono é o “Aço que contém teores de 
silício e manganês não superiores a 0,60 a 1,65% respectivamente e 
elementos de liga dentro dos seguintes limites: 
 -cromo - 0,20% máximo -níquel - 0,25% máximo 
 -molibdênio - 0,06% máximo -alumínio - 0,10% máximo 
 -boro - 0,0030% máximo -cobre - 0,35% máximo 
A adição de elementos de liga com fim específico de melhorar as 
características de usinabilidade não descaracteriza o aço carbono“. 
 
 
 
• O que é aço? 
Como é feito o aço? 
1 - Fusão 2 - Refino 3 - Vazamento 4 - Conformação 
Metalurgia primaria 
Minério de Ferro 
• Magnetita (Fe3O4 – 72 % de Fe e 28% de O) 
• Hematita (Fe2O3 – 69,8% de Fe) 
• Beneficiamento 
• Britagem (separação de ganga) 
• Peneiramento / Classificação (separação de finos*) 
• Aglomeração (aproveitamento dos finos) 
– Sinterização (finos maiores que 0,15 mm) 
– Pelotização (finos menores que 0,15 mm) 
* Finos – partículas abaixo de 10 mm 
7 
300 - 
dissecação 
cuba 
rampa 
cadinho 
Liquação 
1600C 
Redução 
750C 
Carburaç
ão 1150c 
fusão 
Alto Forno 
Minério
Coque
Zona
Granular
Zona
de Amolecimento
e Fusão
Zona
de Coque Ativa
Camada
em Amolecimento
e Fusão
Zona
de Combustão
Cadinho
Zona de
Gotejamento
Zona
de Coque
Estagnado
Alto Forno 
9 
Alto Forno 
O alto forno O alto forno éé um forno de cuba que operado em um forno de cuba que operado em
regime de contra corrente.regime de contra corrente.
No topo do forno o coque, calcNo topo do forno o coque, calcáário, e o materialrio, e o material
portador de ferro (sinter, pelotas e minportador de ferro (sinter, pelotas e minéériorio
granulado) sgranulado) sãão carregado em diferentes camadas.o carregado em diferentes camadas.
A carga sólida, alimentada pelo topo, desce porA carga sólida, alimentada pelo topo, desce por
gravidade reagindo com o gás que sobe.gravidade reagindo com o gás que sobe.
Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dosNa parte inferior do forno o ar quente (vindo dos
regeneradores) é injetado através das ventaneiras.regeneradores) é injetado através das ventaneiras.
Em frente as ventaneiras o OEm frente as ventaneiras o O22, presente no ar, reage, presente no ar, reage
com o coque formando monóxido de carbono (CO)com o coque formando monóxido de carbono (CO)
que ascende no forno reduzindo o óxido de ferroque ascende no forno reduzindo o óxido de ferro
presente na carga que desce em contra corrente.presente na carga que desce em contra corrente.
10 
Alto forno 
Três zonas fundamentais caracterizam o alto-forno: 
• o fundo chamado cadinho; 
• a segunda seção chamada rampa; 
• e a seção superior chamada cuba. 
 O alto-forno é construído de tijolos e envolvido por uma 
carcaça protetora de aço. Todas as suas partes internas, sujeitas a altas 
temperaturas, são revestidas com tijolos refratários. O cadinho é o lugar 
onde o gusa líquido é depositado. A escória (conjunto de impurezas que 
devem ser separadas do gusa), que se forma durante o processo, flutua 
sobre o ferro que é mais pesado. 
 No cadinho há dois furos: o furo de corrida, aberto de tempos em 
tempos para que o ferro líquido escoe, e o furo para o escoamento da 
escória. Como a escória flutua, o furo para seu escoamento fica acima do 
furo de corrida. 
11 
Alto Forno 
Assim, sobra espaço para que uma quantidade razoável de ferro seja 
acumulada entre as corridas. 
 Na rampa, acontecem a combustão e a fusão. Para facilitar esses 
processos, entre o cadinho e a rampa ficam as ventaneiras, que são 
furos distribuídos uniformemente por onde o ar pré-aquecido é soprado 
sob pressão. 
 A cuba ocupa mais ou menos dois terços da altura total do alto-
forno. É nela que é colocados, alternadamente e em camadas 
sucessivas, a carga, composta de minério de ferro, carvão e os 
fundentes (cal, calcário). 
 Quando o minério de ferro, o combustível e os fundentes são 
introduzidos na parte superior (goela) da rampa, ocorrem reações 
químicas: 
- os óxidos de ferro sofrem redução, ou seja, o oxigênio é eliminado do 
minério de ferro; 
12 
Alto Forno 
- a ganga se funde, isto é, as impurezas do minério se derretem; o ferro 
sofre carbonetação, quer dizer, o carbono é incorporado ao ferro 
líquido, e certos elementos da ganga são parcialmente reduzidos, ou 
seja, algumas impurezas são incorporadas ao gusa. 
- O gusa se funde, quer dizer, o ferro de primeira fusão se derrete 
 As reações químicas são provocadas pelas altas temperaturas 
obtidas dentro do forno que trabalham com o princípio da contra-
corrente. Isso quer dizer que enquanto o gás redutor, resultante da 
combustão sobe, a carga sólida vai descendo. Por causa dessa 
movimentação, três zonas aparecem dentro do alto-forno: 
• a zona onde ocorre o pré-aquecimento da carga e a redução, ou 
eliminação do oxigênio, dos óxidos de ferro; 
• a zona de fusão dos materiais; 
• a zona de combustão que alimenta as duas primeiras. 
13 
Alto Forno 
 As reações de redução,carbonetação e fusão geram dois 
produtos líquidos: a escória e o ferro-gusa, que são empurrados para 
os lados, pelos gases que estão subindo e escorrem para o cadinho, de 
onde saem pelo furo de corrida (gusa) e pelo furo da escória. 
 Ao sair do alto-forno, o gusa pode seguir um, entre 
dois caminhos: 
• para a fundição, para ser usado na fabricação de peças de ferro 
fundido (com teor de carbono entre 3,0 e 4,5%); 
• para a aciaria, onde pode ser misturado com sucata de aço ou, 
eventualmente, com outros metais, para se transformar em aço, ou 
seja, uma liga ferrosa com um teor de carbono de menos de 2,0%. 
Alto-Forno 
•Minério de Ferro 
•Carvão 
•Fundente a base de calcário 
Ferro – Gusa 
Carvão 
• Calor para combustão 
• Carbono para redução do óxido de ferro 
• Carbono como principal elemento de liga 
• Resistência mecânica 
• Granulometria apropriada para passagem 
do ar 
Carvão coque 
• Obtido do carvão mineral 
• Processo de coqueificação 
– Gases 
– Compostos orgânicos sólidos e líquidos 
– Resíduo a base de carbono não volátil 
 (coque) 
•• Detalhes do processoDetalhes do processo 
 
 
 
 Típica Bateria de coqueificação Típica Bateria de coqueificação 
Coque incandescente 
pronto para ser descarregado 
Coque incandescente 
pronto para ser descarregado 
CoqueriaCoqueria 
18 
  OO coquecoque éé oo produtoproduto sólidosólido dada destilaçãodestilação dede umauma 
misturamistura dede carvõescarvões realizadarealizada aa emem tornotorno dede 11001100ooCC emem 
fornosfornos chamadoschamados coqueriascoquerias.. 
 AA destilaçãodestilação dádá origemorigem aosaos produtosprodutos carbocarbo--químicosquímicos 
(gases,(gases, vaporesvapores condensáveis,condensáveis, benzol,benzol, alcatrão,alcatrão, etcetc)) 
queque sãosão comercializadoscomercializados pelaspelas siderúrgicassiderúrgicas.. OO gásgás dede 
coqueriacoqueria ee´´umum importanteimportante insumoinsumo parapara aa própriaprópria usinausina.. 
 OO processoprocesso dede coqueificaçãocoqueificação consisteconsiste nono aquecimentoaquecimentododo carvãocarvão mineralmineral nana ausênciaausência dada arar.. 
Coque Metalúrgico 
19 
 Fornecer o calor necessário às necessidadesFornecer o calor necessário às necessidades
térmicas do processo;térmicas do processo;
 Produzir e "regenerar" os gases redutores;Produzir e "regenerar" os gases redutores;
 Carburar o ferro gusa;Carburar o ferro gusa;
 Fornecer o meio permeável nas regiões inferioresFornecer o meio permeável nas regiões inferiores
do forno onde o restante da carga está fundida oudo forno onde o restante da carga está fundida ou
em fusão.em fusão.
O Papel do Coque no Alto FornoO Papel do Coque no Alto Forno 
Coque Metalúrgico 
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Diferenças entre o Carvão Vegetal e o Coque 
 
• Toneladas de gusa por m3 de volume interno do forno por dia: altos-
fornos a carvão vegetal apresentam-se baixas enquanto que para 
fornos a coque, tais taxas são altas 
• Consumo Específico de Carbono: menor consumo de carbono no 
alto-forno a coque do que no alto forno a carvão vegetal. 
• Tempo de Residência da Carga Metálica: no alto-forno a carvão 
vegetal, a carga metálica ocupa cerca de 30% do volume do forno, e 
no alto-forno a coque este número é de 45%, com um menor consumo 
de carbono. 
• Volume e Basicidade da Escória: baixo volume de escória ácida 
(CaO/SiO2 < 1,00) no alto-forno a carvão vegetal , e alto volume de 
escórica básica (CaO/SiO2 > 1,20) no AF a coque. 
• Teor de Enxofre no Gusa: em um alto-forno a carvão vegetal, o 
carregamento de enxofre é da ordem de 0,5 kg/t, e no alto-forno a 
coque este número chega a ultrapassar os níveis de 3,0kg/t. 
21 
Valor Qualidade Item Unidade 
C.Vegetal Coque 
Carbono fixo % 70~75 86~89 
Matérias voláteis % 20~25 1~3 
Cinzas % 2~3 10~12 
Enxofre % 0,03~0,10 0,45~0,70 
Composição das Cinzas 
SiO2 % 5~10 50~55 
CaO % 37~56 4~5 
MgO % 5~7 4~5 
Al2O3 % 2~12 25~30 
Fe2O3 % 6~13 5~7 
P2O5 % 8~12 0,40~0,80 
K2O % 15~25 2~4 
 
 
 
 
 
 
Química 
Na2O % 2~3 1~3 
Resistência à 
compressão 
kg/cm
2
 10~80 130~160 
Faixa Granulométrica mm 9~101,6 25~75 
 
Física 
Densidade t/m
3
 0,250 0,550 
Reatividade (a 950
o
C) % 60 15 
Resistência após a 
reação 
% - 60 
 
Metalúrgica 
Densidade (%) 100 30 
 
Fundentes a base de calcário 
• Formar escória fluida 
– Eliminar impurezas do ferro-gusa e do aço 
 • Calcário (CaCO3) 
– Fornece CaO para transformar a ganga em 
escoria fundida 
 • Cal 
– Produzida no aquecimento do calcário acima 
de 725 oC, obtendo CaO e CO2 
Alimentação da Carga 
25 
Alto Forno 
Processo Temperatura (°C) H (kJ/Kmol) 
Evaporação da umidade 100 + 6,490 
Remoção da água de hidratação 120 - 300 + 7,955 
Remoção do CO2: 3 MnCO3  Mn3O4+CO2+CO 
 3 FeCO3  Fe3O4+CO2+CO 
 FeCO3  FeO+CO2 
> 525 
380 - 570 
> 570 
+ 363,791 
+ 236,973 
+ 112,206 
Redução do Fe2O3 a Fe3O4: 3Fe2O3+CO  Fe3O4+CO2 400 - 550 - 52,854 
Remoção do CO2: MgCO3  MgO+CO2 
 MgCO3
.
CaCO3  MgO
.
CaO+CO2 
400 - 500 
400 - 750 
+ 114,718 
+ 304,380 
Decomposição do CO: 2CO  CO2+C 450 - 600 - 172,467 
Redução do Fe3O4 a FeO: Fe3O4+CO  3FeO+CO2 570 - 800 + 36,463 
Remoção do CO2: CaCO3  CaO+CO2 850 - 950 + 177,939 
Redução do FeO a Fe: FeO+CO  Fe+CO2 650 - Ts - 17,128 
Reação de Boudouard: CO2+C  2CO > 900 + 172,467 
Fusão da escória primária 1100 + 921,1 (kg slag) 
Dissolução do CaO na escória primária 1250 + 1046,7 (kg Fe) 
Combustão do Ccoque: Ccoque+O2  CO 
 2Ccoque+CO2  2CO 
 Ccoque+0.5O2  CO 
1800 - 2000 
2000 - 1450 
1550 
- 406,120 
+ 172,467 
- 116,83 
 
Reações químicas típicas do Alto FornoReações químicas típicas do Alto Forno
26 
Processos de aglomeração 
 
 A aglomeração destina-se a aglutinar as partículas minerais em tamanho 
adequado ao uso aos fornos metalúrgicos. Os minérios de ferro no Brasil, 
produzem 50 % de finos abaixo de 10 mm durante o beneficiamento, que também 
produz granulometrias variadas. 
 Os altos fornos, por exemplo, consumem granulometria de 5 a 60 mm, o 
que geraria um desperdício de 30 % do minério beneficiado nas minas. Os 
processos de aglomeração são briquetagem, sinterização e pelotização. 
 A briquetagem utiliza o processo de agregar finos por meio de moldagem 
sob pressão. A mistura é preparada adicionando melaço ou silicato de sódio e 
alcatrão aos finos de minério, e após bem misturado, é aquecido à 
aproximadamente 300 oC, e colocado em prensas, produzindo os briquetes. É um 
processo pouco utilizado 
 A sinterização é o processo de agregar finos em uma massa porosa 
através de fusão incipiente, produzida pela queima de um combustível 
dentro da própria massa. Carga de alta qualidade para o alto forno. 
Forno de 
ignição 
Alimentador 
Chaminé 
Exaustor Caixa de 
Despoeiramento 
Tambor de mistura 
A B C D E F 
Silos de 
armazenagem 
INSUMOS 
Finos de retorno 
Finos de minério 
Coque 
Calcário 
Pó de alto forno 
Fragmentação do 
bolo de sinter 
Peneiramento a 
quente 
Sinter 
Peneiramento a frio 
Finos de retorno 
Resfriador 
rotativo 
Máquina de sinterizaçãoMáquina de sinterização 
28 
 O processo mais utilizado é o chamado DWIGHT-LLOYD, e foi 
desenvolvido no início do século XX para finos minérios de cobre e chumbo, e 
posteriormente utilizado para minérios de ferro.Trata-se de uma esteira que se 
desloca sobre caixas de sucção ligadas a um exaustor. 
 A mistura é preparada com finos de minério, combustível - finos de 
carvão(8 a 12 %), água(6 a 12 %), fundentes - cal ou calcário, minério fino de 
magnesita, pó de coletor de alto forno, limalha de retorno, carepa de laminação, 
finos de sínter, e outros resíduos industriais finos gerados em todos processos 
siderúrgicos. 
 Toda mistura é colocada em uma esteira metálica, com sistema de 
exaustão, onde, após iniciada ignição por meio de combustível gasoso, a esteira se 
movimenta e é realimentada e ao mesmo tempo retirado o sínter no seu final, 
quando pronto. Em seguida, é britado e separado de acordo com faixas 
granulométricas. É um processo de produção contínua. 
 Durante o processo, as principais reações são de queima do carvão, reação 
do minério de ferro com carvão, reação da cal com a mistura, o que eleva ainda 
mais a temperatura do processo. 
 As principais características objetivadas no sínter são a porosidade e a 
permeabilidade. 
29 
 Os controles de qualidade do 
sínter têm objetivo de avaliar sua 
resistência e a geração de finos 
durante processo de produção de 
gusa no alto forno. Existem os testes 
de queda, teste do tambor, teste de 
grau de oxidação e teste de redução. 
Os resultados destes testes nos 
possibilitam avaliar se o sínter é 
frágil(alta porosidade) e alto grau de 
redução(alta oxidação). 
Sinterização 
? ? Sinteres são aglomerados de forma irregular e Sinteres são aglomerados de forma irregular e 
esponjosa formados por meio de uma combustão esponjosa formados por meio de uma combustão 
forçada (sinterização) forçada (sinterização) de um combustível de um combustível 
previamente adicionado à mistura (finos minério de previamente adicionado à mistura(finos minério de 
ferro; fundentes – calcário, areia; combustível – finos ferro; fundentes – calcário, areia; combustível – finos 
de coque; aditivos – corretivo de características para de coque; aditivos – corretivo de características para 
aproveitamento de resíduos de recirculação). aproveitamento de resíduos de recirculação). 
? ? Tecnologia criada com o objetivo de aproveitar Tecnologia criada com o objetivo de aproveitar 
minérios finos (quantidade crescente no mundo) e minérios finos (quantidade crescente no mundo) e 
resíduos industriais. resíduos industriais. 
? ? A sinterização atual visa basicamente elaborar uma A sinterização atual visa basicamente elaborar uma 
carga de altíssima qualidade para o AF. carga de altíssima qualidade para o AF. 
31 
A pelotização é o processo de aglutinar partículas de minério 
sob a forma esférica. É feita moagem, adição de água, 
formação de pelotas por rolamento e cozimento. Este processo 
é limitado à utilização de partículas entre 0,010 e 0,150 mm, 
sendo que 70 % das partículas devem estar abaixo de 0,074 
mm, e acima de 0,150 mm a aglomeração é impraticável. 
Estas pelotas também serão utilizadas na formação de carga 
do alto forno para a produção de ferro gusa. 
 
Pelotização 
32 
Fluxo de Produção de Pelotas 
33 
 A quantidade de água na mistura é fator importantíssimo na 
formação da pelota, sendo que muita água quebra a força de coesão entre as 
partículas e a pelota inicia sua formação e se rompe. Pouca água produz 
vasos interrompidos, que também quebra a força de coesão. A quantidade 
correta gira em torno de 8 % da mistura, e deve ser frequentemente 
avaliada. 
 O processo é afetado diretamente pela inclinação do disco (também 
podem ser tambores ou cones), e velocidade de rotação do mesmo, sendo 
que quanto maior a velocidade, maior a produção e menores as pelotas 
geradas. Quanto maior o ângulo de inclinação, maior a produção e menor o 
tamanho das pelotas produzidas. 
 A etapa final do processo é o cozimento, ou queima, da pelota, que é 
feita em fornos tipo grelha móvel aquecidos à maçaricos, como por 
exemplo 4 m de largura X 176 m de comprimento tem um forno da 
SAMARCO, e podem chegar à até 1200 oC. 
34 
Após o aquecimento, as pelotas são resfriadas à aproximadamente 
100oC e são descarregadas do forno. 
 Os testes mais importantes para controle de qualidade das 
pelotas são o teste de queda, resistência à compressão(pelota crua e 
cozida), teste de compressão após redução, teste de redução e 
inchamento. A pelota não pode dificultar a passagem dos gases durante 
sopro no alto forno. 
 Assim como o sínter, as pelotas aproveitam os finos de minério, 
economizam combustível durante o processo de produção de ferro gusa 
e aumentam a produtividade dos altos fornos. 
35 
Discos rotatórios para produção de pelotasDiscos rotatórios para produção de pelotas