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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 20 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
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