redução direta e aciaria 1

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ENG. CIÊNCIA DOS MATERIAIS II 
01 
SIDERURGIA 
PROCESSO DE ELABORAÇÃO DE AÇOS 
Prof. Waydson Martins Ferreira 
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REDUÇÃO DIRETA 
- O princípio da redução direta consiste em tratar-se óxidos de ferro 
puros (Fe2O3 ou Fe3O4) a temperaturas usualmente entre 950 e 1050ºC, 
na presença de uma substância redutora. 
 
-O produto da redução direta é o ferro esponja. 
 
- Processo precedeu o Alto-Forno, mas não obteve as grandes escalas 
de produção do mesmo. 
 
- Motivos do seu uso até hoje: 
 * Aproveitar carvões não coqueificáveis; 
 * Minérios de ferro com baixo teor de ferro; 
 * Utilizações do excesso de gás natural em regiões ricas nesse 
insumo. 
- Ideal do ponto de vista do capital para instalação de miniusinas. 
 
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REDUÇÃO DIRETA 
- As principais diferenças entre os diversos processos existentes está na 
maneira como os reagentes são postos em contato, bem como na fonte 
de redutor empregado. 
 
-Basicamente, todos os processos de redução direta podem ser 
agrupados em duas grandes classes: 
 
 * Utilizam redutores sólidos; 
 * Utilizam redutores gasosos; 
-Processo SL/RN (sólido); 
-Processo Hoganaes (sólido); 
-Processo Wiberg-Soderfors (gasoso); 
-Processo Midrex (gasoso); 
-Processo HyL (gasoso); 
- Processo Leito Fluidizado(HIB – High Iron Briquette) (gasoso) 
 
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REDUÇÃO DIRETA 
- Processo SL/RN 
 
 - O redutor é coque moído. 
 - A carga consiste de concentrados de minério de ferro, na 
forma moída ou na forma de “pelotas”, coque e calcário moídos. 
 - É levada a um forno rotativo, onde a temperatura é mantida 
na faixa de 1.000 a 1.076ºC. 
 - O produto sólido é resfriado e o ferro é separado mediante 
separador magnético. 
 - O coque não utilizado é removido e reutilizado 
 - Permite produzir material contendo apenas 0,02 e 0,05% de 
S. 
 
 
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REDUÇÃO DIRETA 
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REDUÇÃO DIRETA 
- Processo Hoganaes 
 
 - Camadas alternadas de minério de ferro de alto teor, finos de 
carvão, coque e calcário  recipiente cerâmico. 
 - Recipientes aquecidos até 1260ºC. 
 - Os fornos são aquecidos pela queima de gás de geradores e 
do CO da redução do minério. 
 - Os recipientes são resfriados no interior do forno, removidos e 
o ferro reduzido é separado. 
 - Parte do ferro esponja é moída e refinada para uso na 
metalurgia do pó. 
 - Tempo de permanência de um recipiente no interior do forno: 
12 dias. 
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REDUÇÃO DIRETA 
- Processo Wiberg-Soderfors 
 
 - Forno de material refratário, em forma de chaminé, com 
altura de 24 m, diâmetro interno base – 2,80 m, diâmetro interno 
topo – 1,10 m. 
 - Os gases redutores consistem numa mistura de 20 a 30% de 
hidrogênio e 70 a 80% de CO, produzidos num “carburador” a 
coque ou carvão vegetal, aquecido eletricamente. 
 - Os gases passam por uma camada de dolomita ou calcário 
para remoção de enxofre e são insuflados na parte inferior do 
forno. 
 - Os gases a 1010ºC, reduzem a carga descendente de óxido 
de ferro. Carga: minério, sínter ou pelotas 
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REDUÇÃO DIRETA 
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REDUÇÃO DIRETA 
- Processo Midrex 
 
 - Desenvolvido pela “Midland-Rose Corporation”. 
 - Redutor é uma mistura de CO e H, obtidos a partir de gás 
natural “re-formado”. 
 - O forno é do tipo vertical e a carga consiste de pelotas de 
óxido de ferro. 
 - A zona de redução situa-se na parte superior do forno e o 
ferro esponja é resfriado na parte inferior. 
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REDUÇÃO DIRETA 
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REDUÇÃO DIRETA 
- Processo HyL 
 
 - Desenvolvido no México. 
 - Combustível  gás natural misturado com vapor. 
 - A mistura é “re-formada”, originando CO e H2, e dessulfurada. 
 - Os gases passam por torres de resfriamento a água de modo 
a remover-se o excesso de vapor. 
 - São novamente pré-aquecidos, entre 770 e 980ºC e 
introduzidos em reatores de redução contendo minério de ferro 
de alto teor ou aglomerados de finos de minério. 
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REDUÇÃO DIRETA 
- Processo de Leito fluidizado (HIB – High Iron Briquette) 
 
 - Implantado comercialmente em 1971, na Venezuela, pela US 
Steel; 
 - Instalação para um milhão de toneladas de briquetes/ano; 
 - Grau de redução de 75%; 
 - Gás redutor produzido cataliticamente a partir de gás natural 
e vapor reduzindo o minério moído a 10 mesh. 
 - O produto da redução é então briquetado. 
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ACIARIA 
Ferro Gusa versus Aço 
Elemento 
Quimico 
Composição gusa Composição Aço 
C 3,50 a 4,50 % 0,008 a 2,11% 
Mn 0,50 a 2,50 0,50 % 
Si 0,50 a 4,00 % 0,25 % 
P 0,05 a 2,00 % < 0,05 % 
S 0,20 % < 0,05 % 
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ACIARIA 
Transformação de ferro gusa em aço 
A produção do aço líquido se dá através da oxidação controlada 
das impurezas presentes no gusa líquido e na sucata. 
Este processo é denominado refino do aço e é realizado em uma 
instalação conhecida como aciaria. 
O refino do aço normalmente é realizado em batelada pelos 
seguintes processos: 
 - Aciaria a oxigênio – Conversores (carga predominantemente 
líquida = gusa). 
 - Aciaria elétrica – Forno elétrico a arco – FEA (carga 
predominantemente sólida = ferro esponja). 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
Sir Henry Bessemer no século XIX  gases com oxigênio 
oxidam preferencialmente as impurezas contidas no gusa – C, 
Si, Mn. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
Essas reações de oxidação são exotérmicas e fornecem calor 
suficiente para atingir a temperatura de vazamento sem fonte 
externa de calor. 
 
Patente do conversor Bessemer – 1856. 
- Conversores pneumáticos  ar ou oxigênio puro é soprado sob 
pressão por ventaneiras submersas ou sobre a superfície do 
gusa líquido para produzir AÇO. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversores pneumáticos  65% da produção mundial de aço, 
tempo de sopro de oxigênio de 15 a 25 min, tempo de corrida de 
28 a 35 min para conversores de 150 a 300 ton. 
- Principais tipos de conversores: 
- Bessemer – sopro por baixo 
- Thomas – sopro por baixo 
- LD ou BOF (Linz-Donawitz ou Basic Oxygen Furnace) sopro por 
cima- Q-BOP (Quick-Basic Oxygen Process) sopro submerso por 
baixo 
- Processos de sopro combinado. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer 
- Carcaça de aço cilíndrica em forma de pêra e basculante; 
- Fundo é destacável e contém as ventaneiras; 
- Revestido internamente por material refratário de caráter ácido; 
- O ar é soprado pelo fundo atravessando a camada de gusa líquido; 
- Capacidade de 25 a 30 t. 
- As melhores condições de composição do gusa para o Bessemer : 
- Si – 1,10 a 1,50%; Mn – 0,40 a 0,70%; P – 0,09% máx.; S – 0,030% 
máx.; C – 4,0 a 4,5%. 
 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer - carregamento 
- Para o carregamento, o forno é basculado de forma que o bico ainda 
fica inclinado para cima. 
- Carrega-se então o gusa líquido. 
- Nessa posição o metal não entra em contato com as ventaneiras. 
- Inicia-se a entrada de ar, ao mesmo tempo em que o aparelho é 
colocado na posição vertical. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer - Carregamento 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer - sopro 
- O silício oxida-se em primeiro lugar, formando-se uma chama curta e 
transparente que se projeta pela boca do forno. 
- O resultado é a formação de SiO2; 
- Juntamente com FeO e MnO originam uma escória de baixo ponto 
de fusão, à base de silicatos de Fe Mn. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer - Sopro 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer- sopro ou “golpe” 
- Primeiras reações de oxidação verificadas: 
 
 
 
 
 
- Após 4 minutos começa o período de oxidação do carbono: 
- FeO + C  Fe + CO 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer - vazamento 
 - Quando a eliminação do carbono aproxima-se do fim, a chama muda 
de aparência com raias vermelhas e a coloração amarelo-dourada 
passa a avermelhada. 
- Nesse momento tem-se o ponto final. 
- O conversor é novamente basculado e o sopro de ar desligado 
paulatinamente. 
- O metal será vazado na panela onde se adicionam Fe-Mn ou Al para 
desoxidar e dessulfurar: 
- FeO + Mn  MnO + Fe 
- FeS + Mn  MnS + Fe ou 3FeO + 2Al  Al2O3 + 3Fe 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer – obsolescência 
 
 - A produção comercial de aço por esse método parou em 1968 nos 
EUA, e na década de 70 no Brasil. 
 - Novos processos como o LD substituíram o Bessemer, por 
oferecerem melhor controle das reações químicas. 
 - O processo Bessemer era muito rápido (10-20 minutos de “golpe”), o 
que deixava pouco tempo para análise química e ajuste dos 
elementos de liga. 
 - Os conversores Bessemer não removiam o P eficientemente. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Bessemer - obsolescência 
 - - O processo permitia apenas pequena quantidade de sucata na carga 
o que aumentava seu custo. 
 - O efeito refrigerante do nitrogênio do ar limitava a quantidade de sucata 
 - O uso de fornos a arco elétrico, que usam sucata, contribuiu para a 
obsolescência. 
 - Além disso, o alto teor de nitrogênio colocou limitações no emprego dos 
aços Bessemer. 
- Bessemer previu que era necessário insuflar O2 puro, mas insuflar 
através de ventaneiras submersas provocava erosão dos refratários. 
- Naquela época não era viável economicamente a utilização de O2 puro. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Thomas 
 - Difere do anterior por apresentar revestimento de dolomita de natureza 
básica. 
 - Devido a isso, ele permite a remoção de P pela utilização de cal. 
 - Ocorre também uma remoção prévia de S pela adição de “barrilha” ou 
carbonato de sódio. 
- Capacidade 40 t. 
- Tempo de processamento – 17 a 22 minutos 
- Gusa para Processo Thomas: C – 3,50 a 3,80 %; Si – 0,25 a 0,50 %; 
Mn – 0,40 a 1,00%; P – 1,70 a 1,90%; S – 0,08% máx. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor LD ou BOF (Linz-Donawitz ou Basic Oxygen Furnace) 
 - O processo desenvolvido na Áustria (em Linz) utiliza sopro de oxigênio 
puro por cima do banho com uma lança de cobre refrigerado à água. 
 - Capacidade 350 t. 
 - A ponta da lança introduzida no interior do forno fica a uma distância do 
banho líquido de 0,30 a 1,00 m. 
- Temperaturas locais da ordem de 2.500 a 3.000 ºC. Devido ao impacto 
do jato de oxigênio puro as reações de oxidação são aceleradas. 
- Gusa pode ser de qualquer composição. 
- Processo todo computadorizado, com controle de composição da 
carga, metal vazado, e escória. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor LD ou BOF (Linz-Donawitz ou Basic Oxygen Furnace) 
 - A carga consiste de gusa líquido e sucata, após o forno ser basculado 
para a posição vertical abaixa-se a lança e o sopro é iniciado, 
adicionam também formadores de escória (fundentes). 
- A formação de uma emulsão gás-metal-escória é um dos fatores da 
cinética elevada das reações. 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
- Conversor Q-BOP (Quick-Basic Oxygen Process) 
 - Semelhante ao LD, diferenciando pelo uso de ventaneiras refrigeradas 
que insuflam hidrocarbonetos e oxigênio. 
- Vantagens com relação ao LD: 
 - Melhor rendimento - menor oxidação da escória; 
 - Melhor desfoforação e e dessulfuração – menor desequilíbrio 
químico entre metal e escória 
 - Alta reprodutibilidade 
 - Possibilidadede produzir aço de baixo carbono com menor 
oxidação 
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ACIARIA – PROCESSOS PNEUMÁTICOS (CONVERSORES) 
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ACIARIA – PROCESSO ELÉTRICO 
- FORNO ELÉTRICO A ARCO 
 - Consiste numa carcaça cilíndrica de aço e basculante. 
 - O sistema de aquecimento é feito por 3 eletrodos, igualmente 
espaçados, cada um ligado a uma fase de um sistema trifásico. 
 - Os eletrodos podem ser de carbono ou de grafita, sendo os últimos 
mais resistentes e melhores condutores. 
 - O efeito do aquecimento é produzido por arcos que se formam entre 
os 3 eletrodos e a sucata. A radiação do arco funde a carga. 
 - A faixa de operação de tensão é de 100 a 600 V, embora já existam 
fornos operando com 1000 V. 
 - Para fundir 1 t de carga de 25ºC a 1600ºC consome-se 387 kWh. 
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ACIARIA – PROCESSOS ELÉTRICO 
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ACIARIA – PROCESSOS ELÉTRICO 
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ACIARIA – PROCESSO ELÉTRICO 
- FORNO ELÉTRICO A ARCO 
 - Vantagens: 
 - Tem alta eficiência energética; 
 - Permite produzir praticamente qualquer tipo de aço – controle de 
aquecimento independente de reações químca. 
 - É um aparelho extremamente versátil, no que tange a carga, 
podendo ser operado com 100% de carga sólida. 
 - Permite operação intermitente e mudanças rápidas na produção em 
escalas desde dezenas até centenas de toneladas. 
Capacidade de 200 a 250 t. 
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BENEFICIAMENTO DO AÇO – REFINO SECUNDÁRIO 
 - Após ter passado pelo conversor ou forno elétrico, o aço ainda 
não se encontra em condições de ser lingotado. 
 
 - O tratamento a ser feito visa os acertos finais na composição 
química e na temperatura, visando melhorar as características 
dos aços e ligas especiais. 
 
 - Portanto, situa-se entre o refino e o lingotamento contínuo na 
cadeia de produção de aço carbono. 
 - Entre estes, os mais comuns são os processos que tratam o aço 
líquido: 
 - DESGASEIFICAÇÃO - METALURGIA DE PANELA 
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BENEFICIAMENTO DO AÇO – REFINO SECUNDÁRIO 
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 - DESGASEIFICAÇÃO 
 - O aço líquido é exposto a um vácuo médio (0,5 - 2 mmHg ou 60 – 
250 Pa) e agitado; 
 - Objetivos : 
 - Remoção de gases dissolvidos (H, N) 
 - Desoxidação pelo Carbono 
 
BENEFICIAMENTO DO AÇO – REFINO SECUNDÁRIO 
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 - METALURGIA DE PANELA 
 - Objetivos : 
 - Acertar e homogeneizar a composição química e temperatura do 
aço líquido; 
 - Desoxidar, dessulfurar, reduzir e alterar o tipo de inclusões não-
metálicas, desfoforar. 
 - O equipamento típico é o “forno-panela”, consiste de instalação 
para movimentar a panela da aciaria até a lingoteira, instalação para 
aquecimento, agitação do aço líquido por injeção de gás inerte, 
instalação para adições controladas de ferro-ligas, desoxidantes e 
formadores de escória. 
 
BENEFICIAMENTO DO AÇO – REFINO SECUNDÁRIO 
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BENEFICIAMENTO DO AÇO – REFINO SECUNDÁRIO 
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LINGOTAMENTO 
- Do forno panela o aço líquido é transportado para a área 
de lingotamento; 
- Nesse setor o aço será solidificado e estará pronto para 
ser processado por conformação mecânica; 
 - A maior parte da produção mundial de aços é 
processada por lingotamento contínuo; 
 - Para aços especiais, produzidos em menores 
quantidades, grandes forjados, aços que exigem 
condições especiais de solidificação, o lingotamento 
“estático” ou convencional é utilizado; 
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LINGOTAMENTO 
- LINGOTAMENTO CONVENCIONAL 
- As lingoteiras tem a forma de uma caixa de ferro fundido; 
- O projeto visa otimizar a solidificação e a conformação 
mecânica posterior; 
- Formas de seção transversal empregadas: quadrada, 
cilíndrica, oitavada (ou facetada) e retangular (incomum); 
- Em geral tem alguma conicidade; 
- As lingoteiras podem ser diretas (aço por cima) ou 
indiretas (aço por baixo). 
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LINGOTAMENTO 
LINGOTAMENTO CONVENCIONAL 
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LINGOTAMENTO 
- LINGOTAMENTO CONTÍNUO 
- O aço líquido é vazado em um molde de cobre refrigerado 
a água; 
- Uma primeira casca sólida se forma e vai sendo extraída 
por um sistema mecânico de rolos e suportes. 
- Após a casca obter espessura suficiente para resistir à 
pressão ferroestática, o aço deixa o molde e passa a ser 
refrigerado por sprays de água, até a solidificação total. 
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LINGOTAMENTO CONTÍNUO 
Panela intermediária 1 
1 
2 Molde resfriado à água 
2 3 Borrifos de água 
3 4 Cilindros de suporte 
4 
5 Laminadores 
6 Corte 
5 6 
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LINGOTAMENTO 
- LINGOTAMENTO CONTÍNUO 
- Produz semiacabados de diferentes seções transversais; 
- Usinas de aços planos lingotam placas de 250 mm de 
espessura e larguras superiores a 1 m; 
- Como o controle do nível do aço é importante, o aço não é 
vazado diretamente no molde, mas sim em um distribuidor 
intermediário; 
- No aço líquido do distribuidor aplica-se um “pó de 
cobertura” para isolamento térmico e proteção contra 
reoxidação. 
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LINGOTAMENTO 
- LINGOTAMENTO CONTÍNUO 
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Obrigado pela atenção