Materiais Mecânicos I Produtos Siderúrgicos parte 2

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PRODUTOS SIDERÚRGICOS – PARTE II
3. Fabricação do aço: 
3.3- Etapa 2: Redução 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS – PARTE II
3. Fabricação do aço: 
3.3- Etapa 2: Redução 
• É a etapa cujo objetivo é a separação do ferro do oxigênio (minério de Ferro)
• É a etapa onde os custos da produção de aço são as maiores
• Pode ser realizado por dois processos distintos:
a) Alto Forno: (95% da produção mundial)
• É o principal equipamento da siderurgia
• Ocorre fusão do material
• O minério de Ferro é transformado em Ferro gusa 
(estado líquido)
b) Redução Direta: (5% da produção 
mundial)
• Não ocorre fusão do material 
• O minério de Ferro é transformado em 
Ferro esponja (estado sólido).
• Atualmente não há nenhuma instalação no 
Brasil operando industrialmente
PRODUTOS SIDERÚRGICOS – PARTE II
3. Fabricação do aço: 
Entradas:
• Minério de Fe (granulado, sinterizado
e/ou pelotizado) com suas respectivas
impurezas
• Fundentes: calcário (CaCO3), cal,
dolomita (MgO).
• Coque ou carvão vegetal: combustível,
redutor (CO), fornece Carbono ao gusa
• Ar/Oxigênio: combustão do C , fornece
calor pela reação com o coque e forma
CO (agente redutor)
3.3.1 Etapa 2: Redução em Alto-forno
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3. Fabricação do aço: 
2C (coque ou CV) + O2 (do ar) = 2CO + calor e CO2 + C = 2CO
2Fe2O3 + 3CO = 2Fe (gusa) + 3CO2 (esta reação ocorre em alta temperatura, por isto necessita de 
calor para acontecer)
3.3.1 Etapa 2: Redução em Alto-forno
Processo contínuo: carregamento periódico dos sólidos pelo
topo, drenagem contínua ou periódica dos líquidos pela
parte inferior, contínua injeção de ar quente e remoção de
gases e poeira pelo topo. O tempo entre o carregamento da
carga sólida e a saída na forma de ferro gusa leva em torno
de 6 a 8 horas):
• Carregamento das matérias primas sólidas pelo topo. O
carregamento é feito em camadas alternadas de coque e
minério na forma bitolado, sinterizado e/ou de pelotas
• Simultaneamente ocorre sopragem de ar quente pelas
ventaneiras. O ar quente queima o carbono do coque
gerando grande quantidade de calor e gás CO. O gás
CO reage com o minério
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3. Fabricação do aço: 
3.3.1 Etapa 2: Redução em Alto-forno
• O Ferro formado é aquecido, absorve o carbono e
funde (Ferro gusa)
• As outras substâncias contidas no minério (impurezas)
que não regiram com o carbono irão formar a
escória que também se funde e, por ser mais leve
fica acima do Ferro gusa líquido no cadinho.
• Os gases saem pelo topo do alto forno e passam
por sistemas de limpeza para recuperação de finos
do minério (vão para a sinterização) e dos gases
que serão utilizados em outros processos como
aquecimento dos Fornos de laminação.
• Para retirada do gusa e da escória é feita uma
abertura lateral no cadinho. Após a retirada do
gusa (geralmente vazado no carro torpedo), passa a
ser drenado a mistura de gusa com escória e
finalmente somente a escória.
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3. Fabricação do aço: 
O Ferro gusa obtido apresenta composição aproximada conforme descrito abaixo:
3.3.1 Etapa 2: Redução em Alto-forno
• Carbono 3,0-4,5 % : proveniente do coque
• Si (1-2,0%) proveniente da ganga do minério e coque
• S (0,20 % ) proveniente do coque e/ou do minério: mais conveniente retirar no momento do 
vazamento do gusa no carro torpedo pela adição de cal e Mg. 
• P: (0,05-2,0% , proveniente do minério e do coque: difícil remoção no Alto Forno
• Mn: (0,1-1,5%): proveniente do minério de Fe
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3. Fabricação do aço: 
A produção de Ferro gusa é uma etapa intermediária da fabricação do aço: sua
composição está ainda muito distante da composição química desejada para o aço, razão
pela qual necessita de uma etapa adicional que é a de Refino (Etapa 3)
3.3.1 Etapa 2: Redução em Alto-forno
Elemento químico Ferro gusa Aço (comum)
Carbono (C) 3,0 - 4,5 % < 2% (geralmente inferior a 1%)
Silício (Si) 1,0 - 2,0 % < 0,40%
Manganês (Mn) 0,1 - 1,5% 0,45 – 1,5%
Fósforo (P) 0,1 - 2,0 % < 0,04%
Enxofre (S) 0,2 - 1,0% < 0,045%
Vídeos: Alto Forno: 
https://www.youtube.com/watch?v=hBqhGHfzQFQ
http://www.britishpathe.com/video/blast-furnace
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3. Fabricação do aço: 
Obs. Embora todos estes efeitos nocivos do P e do S no aço, em casos especiais os mesmos podem estar
presentes em teores maiores ( até 0,12% P e até 0,35 % S) que os mencionados acima. Tal fato ocorre
em situações específicas, quando se busca melhorar a usinabilidade em aços cujas propriedades de
média ou alta resistência e conformação não sejam relevantes. Quando as propriedades de ductilidade,
resistência e tenacidade são críticas os teores de P e S são especificados em valores bem abaixo dos
aços comuns.
3.3.1 Etapa 2: Redução em Alto-forno
Fósforo (P): Diminui a ductilidade (capacidade do aço sofrer conformação), diminui
a resistência ao impacto, e causa fragilidade de revenido (torna o aço quebradiço
quando sofre o tratamento térmico de revenimento). Sua presença mesmo em aços
comuns é limitada a aproximadamente 0,04%.
Enxofre (S): Causa fragilidade a quente (torna o aço quebradiço quando
conformado em alta temperatura), diminui a ductilidade, a resistência ao impacto e a
soldabilidade. Sua presença em aços comuns é limitada a 0,05%
Os elementos P e o S são as impurezas mais difíceis de serem removidos e justamente são os 
mais nocivos ao aço.
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3. Fabricação do aço: 
3.3.2 Etapa 2: Redução pelo processo de Redução direta:
• Muito embora a produção do aço via ferro gusa seja
amplamente utilizado (95%) tanto por questões técnicas
quanto econômicas, existe uma rota alternativa devido ao
alto custo da instalação e capital investido, necessidade
de carvões coqueificáveis, e conforme a região a
presença abundante de gás natural tornando o processo
de redução direta viável.
• No processo de redução direta o minério de ferro é
reduzido a ferro (denominado de ferro esponja) sem
fusão da carga, de modo que a reação ocorre entre o
gás redutor e o minério no estado sólido em temperaturas
da ordem de 850 a 1350ºC conforme o tipo de reator.
• O produto obtido apresenta um grau de metalização de
aproximadamente 92% e é útil, pro exemplo devido a
sua limpeza quanto aos elementos de liga presentes ao
ser utilizado em fornos elétricos para fabricação do aço
• Atualmente não existe instalações operando com processo
de redução direta no Brasil
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3 Fabricação do aço: 
3.4 Etapa 3: Refino
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3 Fabricação do aço: 
3.4 Etapa 3: Refino
A etapa de Refino tem como objetivo remover ou reduzir as 
impurezas presentes no Ferro gusa ou na sucata. O refino é 
realizado em duas etapas:
• Refino Primário: Ocorre a oxidação das impurezas e
fabricação do aço bruto. Pode ser realizado em um:
A) Conversor LD (70%): Oxidação das impurezas presentes
no Ferro gusa: Si, P, S, e redução do teor de Carbono para
produção de aço bruto
B) Forno elétrico a arco: (30%) oxidação das impurezas
presentes na carga metálica (principalmente sucata) e
formação do aço bruto
• Refino Secundário: Ocorre eliminação/redução das
impurezas do aço bruto, acerto da composição química para
produção do aço final. É realizado fora do equipamento de
fabricação do aço bruto.
Conversor LD
Forno Elétrico a arco
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino
A) Refino Primário: Conversor LD 
(BOF – Basic Oxygen Furnace (Forno básico com sopro de Oxigênio
• O processo basicamente consiste em injetar oxigêniogasoso em alta velocidade sobre o ferro gusa líquido, de
modo que o oxigênio reaja com o carbono do gusa
eliminado boa parte do carbono na forma de monóxido
de carbono (CO), ao mesmo tempo é gerado calor
aquecendo o aço obtido.
• Durante o processo outros elementos também são eliminados:
• O silício é oxidado formando sílica que reagindo com o óxido de cálcio (cal) adicionado irá
formar a escória
• O fósforo é oxidado parcialmente indo para a escória, permanecendo uma parte no aço
• O Manganês também é distribuído entre a escória e o aço, mas não é considerado uma
impureza porque em geral sua presença é benéfica.
Obs. O enxofre presente no gusa é em geral retirado parcialmente antes de ser adicionado a o
conversor através de um tratamento do gusa (cal e Mg) quando este é vazado no carro torpedo
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino
A) Refino Primário: Conversor LD (BOF – Basic Oxygen Furnace (Forno básico com sopro de 
Oxigênio):
• Carregamento de carga sólida (5 a 20%) e gusa líquido (80 a 95%)
• Sopro do oxigênio: oxidação seletiva das impurezas: Si, Mn, C, P
• A reação do oxigênio com o C e o Si produzem muito calor não sendo necessário outro
combustível.
• O P e o S são elementos de mais difícil remoção. O P é removido parcialmente no início do
processo quando a temperatura está mais baixa e maior presença de FeO. O S é
removido parcialmente quando o Ferro gusa é vazado no carro torpedo, antes de ir para
a Aciaria, pela adição de cal, ou Mg.
• O Mn é removido parcialmente permanecendo parte no aço e parte na escória, mas não é
um elemento indesejável.
• Adição de cal ocorre durante a fase de sopro para formação da escória
• Acerto da composição
• Vazamento do aço e após o vazamentoda escória
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino
A) Refino Primário: Forno LD:
• As reações do Oxigênio com o
carbono e o silício produzem muito
calor, razão pela qual o conversor
não necessita de adição de nenhum
combustível
• Realizado em Usinas Integradas:
Usinas: CSN, Belgo Mineira,
Usiminas, Mannesmann, Açominas
• Alta produtividade (ciclos na ordem
de 40 minutos); produção
aproximada de 8000 ton./dia
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino
B) Refino Primário: Forno Elétrico a arco
• Carga principal: sucata metálica sólida (pode
usar também o Ferro gusa ou Fe esponja
como parte da carga)
• Vem crescendo sua participação na produção
de aço (Brasil ≈ 25%)
• A energia necessária para a fusão da sucata
é fornecida através de arco elétrico (arco
formado entre os eletrodos de grafite e a
carga metálica), que atinge temperatura
suficiente para fundir o aço.
• Energia adicional é também fornecida pela
injeção de oxigênio que reage com a carga
fornecendo calor
• Utiliza lanças de Oxigênio para remoção das
impurezas (c, Si, P, S, Mn, Al, etc.
Capacidade: 100 a 200 ton.
Energia: 500 kwh/ton.
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino 
B) Refino Primário: Forno Elétrico a arco
Carregamento da sucata, formação
do arco , fusão do material e adição
de sucata até carga completa e fusão
(1570ºC)
Sopro (Refino): limpeza do aço,
remoção parcial das impurezas,
formação da escória
Verificação da
composição e adição de
elementos sólidos para
acerto da composição
do aço em fabricação e
acerto da temperatura
Vazamento do aço e
da escória
Ciclo: 60 a 75 minutos
Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=5h4cx3wvu48
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino 
C) Refino Secundário:
• Chama-se refino secundário porque é realizado fora do equipamento
de fabricação do aço bruto. O refino secundário é realizado em
Panelas de aço.
• O Refino secundário visa eliminar ou reduzir as impurezas ainda
presentes no aço bruto tais como: O, S, N, H e P realizando um ajuste
fino da composição química do aço e adição de Ferro ligas (Fe-Cr; Fe-
Mo; Fe-V; etc.)
• Além da finalidade descrita acima o Refino secundário também serve
para:
• Homogeneizar a temperatura do aço para vazamento.
• Reduzir o tempo de elaboração do aço
• Permitir alta produtividade: o aço pode ser vazado assim que
estiver pronto e operar de forma contínua na etapa seguinte de
lingotamento
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino 
C) Refino Secundário:
Durante o refino secundário são realizadas as seguintes operações
principais:
• Desoxidação: remoção do oxigênio dissolvido no aço visando
reduzir a quantidade de inclusões presentes que prejudicam a
qualidade do aço. A desoxidação é realizada pela adição de
elementos como Al, Si e Mn que possuem maior afinidade pelo
oxigênio do que o Ferro.
• Dessulfuração: diminuição do teor de S pela adição de óxido de
cálcio.
• Desgaseificação: para remover os gases presentes como
nitrogênio, e hidrogênio. É realizado pela injeção de argonio
(agitação do banho) ou através de vácuo.
Obs. A retirada ou redução do teor de fósforo é mais fácil de ser
realizada durante o refino primário
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3. Fabricação do aço: 3.4- Etapa 3 Refino:
C) Refino Secundário: 
• A etapa de refino secundário é muito importante pois é a que irá garantir a composição
química final do aço e em consequência exercerá forte influência nas propriedades e
qualidade do mesmo.
• Na elaboração do aço além do carbono , outros elementos estarão também presentes
assim como algumas inclusões.
• Devido ao importante papel que os elementos que acabam permanecendo exercem na
qualidade do aço elas serão abordadas a seguir:
Carbono (C): Principal elemento químico presente no aço. É
responsável por permitir um aumento de sua dureza e resistência.
Está presente nos aços em um percentual de até 2,11%, mas em
geral sua presença é inferior a 1%. Em níveis mais baixos
(aproximadamente < 0,30% favorece sua conformabilidade).
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3. Fabricação do aço: 3.4- Etapa 3 Refino:
C) Refino Secundário: 
• Manganês (Mn): Melhora a resistência, tenacidade e
endurecibilidade do aço. Forma inclusões de MnS
impedindo a formação de FeS que daria fragilidade a
quente ao aço.
• Silício (Si) : está presente por ser um desoxidante do aço,
exerce maior influência em aços de baixo Carbono onde
endurece a ferrita.
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3. Fabricação do aço: 3.4- Etapa 3: Refino 
C) Refino Secundário:
Elementos mais nocivos: P e S
• Fósforo (P): Provoca fragilidade a frio, ou seja diminui a resistência ao choque e a
tenacidade. Além disto reduz a ductilidade. Por estas razões é especificado em
valores inferiores a 0,04-0,05% mesmo em aços comuns. Teores mais altos podem
ser especificados somente em casos específicos como aços para usinagem.
• Enxofre (S): Reduz a ductilidade, a resistência ao impacto, e favorece a fragilidade
a quente (formação de FeS de baixo ponto de fusão, por isto adição de Mn para
formação de MnS ao invés de FeS que se estivesse presente no aço provocaria
trincas durante a conformação em alta temperatura). É especificado normalmente em
valores inferiores a 0,04-0,05% . Peças muito críticas é especificado em teores
ainda mais baixos (0,005%). Pode ser especificado em teores mais altos em casos
específicos como aços para usinagem onde esta é a principal característicadesejada.
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3. Fabricação do aço: 3.4- Etapa 3 Refino:
C) Refino Secundário: 
Inclusões não metálicas:
• Óxidos de alumínio, Óxidos de silício: Como para a
retirada do oxigênio são adicionados elementos com maior
afinidade que o Ferro como o Al, e o Si . Os óxidos destes
elementos embora sejam parte eliminados na escória, mas
uma parte fica retida.
• Sulfeto de Manganês: Devido a dificuldade na remoção do
enxofre e seu efeito negativo no aço, o mesmo deverá estar
presente ligado ao Manganês e não ao Ferro. Aparecendo
na forma de inclusões de sulfeto de Manganês (MnS)
Inclusões de Al2O3
Inclusões de MnS
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino 
Devido ao efeito negativo da presença de inclusões
não metálicas no aço as mesmas são especificadas.
As inclusões diminuem a resistência à fadiga, a
ductilidade e a tenacidade do aço. As inclusões são
verificadas através de análises metalográficas.
C) Refino Secundário: 
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3. Fabricação do aço: 3.4- Etapa 3: Refino C) Refino 
Secundário: 
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino 
C) Refino Secundário: Composição química do aço
Para verificação da composição química do aço equipamentos especiais como o 
Espectrômetro de Emissão Óptica são muito utilizados
Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=ainBo0HxNCk
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3. Fabricação do aço: 
• Em caso de alguma reclamação de cliente ou até mesmo
um recall , é possível verificar onde estão as peças para
segregar
• Verificar os parâmetros nos quais o aço foi fabricado e
assim permitir encontrar/estudar a causa do problema
encontrado
Obs. Na aquisição de um produto de aço proveniente da
Usina ou de alguma Distribuidora sempre é bom solicitar um
comprovante ou certificado da corrida do aço
3.4- Etapa 3: Refino C) Refino Secundário: 
Finalizada a etapa de fabricação do aço sua composição 
química é definida gerando um código de corrida (heat
code) o qual servirá como referencia e rastreabilidade de 
todos os produtos produzidos a partir do mesmo. Esssa
rastreabilidade é de extrema importância:
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino 
C) Refino Secundário: Composição química do aço
Além dos elementos e inclusões presentes nos aços ainda poderão estar presentes outros elementos:
• Gases dissolvidos tais como Oxigênio , Nitrogênio, Hidrogênio. Estes gases são elementos
fragilizantes (reduzem a ductilidade e a tenacidade do aço., razão pelo qual são especificados
na ordem de ppm (parte por milhão). De modo geral os elementos O, N e H não aparecem nas
descrições das composições químicas do material, a menos que sejam solicitados ou especificados.
• Elementos de Liga: São elementos que são adicionados de forma intencional a fim de melhorar
uma ou mais propriedades ao aço: resistência, tenacidade, resistência a corrosão, etc. : Mo, Cr,
Ni, V etc . Como são elementos desejáveis são especificados com valores mínimo e máximo.
• Elementos residuais: Elementos eventualmente presentes de forma não intencional devido
principalmente ao processo de fabricação do aço quando utiliza sucata (Fornos elétricos). Os
elementos residuais são especificados somente quanto ao seu percentual máximo. Exemplos: Cu,
Ni, Cr, V, Mo, .
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3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino C) Refino Secundário: 
Elemento 
químico
C Ni Mn P S Si Mo Cu Cr
Mínimo (%) 0,38 1,65 0,60 - - 0,15 0,20 - 0,70
Máximo (%) 0,43 2,00 0,80 0,03 0,04 0,35 0,30 0,35 0,90
• Quais são os elementos sempre presentes?
• Quais são os elementos sempre presentes mais nocivos?
• Quais são os elementos de liga ?
• Quais são os elementos residuais ?
Exercício:
Considerando o aço de composição química descrita abaixo, responder as 
questões:
PRODUTOS SIDERÚRGICOS – PARTE II
3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino 
Exercícios
PRODUTOS SIDERÚRGICOS – PARTE II
3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino 
Exercícios
PRODUTOS SIDERÚRGICOS – PARTE II
3. Fabricação do aço: 
3.4- Etapa 3: Refino 
Exercícios
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3. Fabricação do aço: 
Anexos A) Composição típica do coque
Saída:
• 600 ton de ferro gusa
• 200 ton de escória
• 70 ton de poeira
• 3000 ton gás de alto forno
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3. Fabricação do aço: 
1. Funcionamento dos alto fornos; ininterrupto por aproximadamente 7 a 10 anos. O record é de
um alto forno moderno que está há 28 anos funcionando
2. Início de operação de um alto forno:
• Secagem por aproximadamente 10 dias através de ar quente soprado pelas ventaneiras
• Desligamento das ventaneiras
• A carga é colocada pela parte superior, mas para não danificar o refratário da soleira é colocado
madeira sobre este.
• O carregamento inicial apresenta uma quantidade de coque acima do normal até carga completa
• Liga-se as ventaneiras e inicia a operação. À medida que começa a trabalhar o carregamento vai
alterando até carga normal
3. Número de alto fornos em uma Usina: 02 a 04
4. Pressão no alto forno:
A pressão é aumentada pela obstrução do fluxo de gases. A pressão no topo é de 1,1 a 1,8 atm.(0,11-
0,18MN/m2) e no meio da massa do alto forno (hearth) é de 2,3 a 3,0 atm.(0,23-0,20MN/m2). Esse
aumento da pressão melhora a produtividade em 20 a 25%
Anexos B) Dados a respeito dos Alto-fornos
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3. Fabricação do aço: 
5. Carga do alto forno de entrada e saída:
Entrada:
• 1160 ton de minério
• 500 ton de coque
• 300 ton de cal
• 2000 ton de ar
Saída:
• 600 ton de ferro gusa
• 200 ton de escória
• 70 ton de poeira
• 3000 ton gás de alto forno
6. Produção de um alto forno: 10000 ton/dia ou 3 000 000 ton/ano
7. Temperatura do ar aquecido que entra no alto-forno: 900- 1350ºC
Anexos B) Dados a respeito dos Alto-fornos
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3. Fabricação do aço:
Anexos C) Inclusões não metálcias
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3. Fabricação do aço: 
Além dos elementos e inclusões presentes nos aços ainda poderão haver gases dissolvidos tais como 
Oxigênio , Nitrogênio, Hidrogênio: 
Estes gases são elementos fragilizantes (reduzem a ductilidade e a tenacidade do aço., razão pelo 
qual são especificados na ordem de ppm (parte por milhão). 
• O N pode estar presente em percentuais um pouco maiores quando ligado por exemplo 
com o Al formando AlN (útil para evitar o crescimento do grão durante tratamentos em 
alta temperatura). 
• O hidrogênio pode estar presente no aço, além do processo de fabricação, por outros 
motivos também, como devido a umidade presente na solda e/ou processos galvânicos, e 
seu efeito negativo é conhecido como fragilização pelo Hidrogênio. A retirada do 
Hidrogênio ocorre pela aquecimento do aço em temperaturas da ordem de 200ºC por 8 a 
20 horas conforme a dureza da peça.
Observação: De modo geral os elementos O, N e H não aparecem nas descrições das 
composições químicas do material, a menos que sejam solicitados ou especificados.
Anexos D) Efeito dos gases nos aços: