NOTA DE AULA 02 MM 2014

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MATERIAIS METÁLICOS 
CURSO: Engenharia Mecânica – 5º Semestre 
Prof. Francisco Nascimento 
 
 
UNIDADE I: NOTA DE AULA – 02 
 
 
5. MATÉRIAS PRIMAS DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA 
 
A Indústria Siderúrgica abrange todas as etapas necessárias para, a partir, das matérias 
primas, produzirem o ferro e o aço. O processo clássico e mais comum usado para a 
redução do minério de ferro é o do “Alto forno”, cujo produto consiste numa liga ferro-
carbono de alto teor de carbono, denominado de “ferro gusa”, o qual, ainda no estado 
líquido, é encaminhado para “aciaria”, onde, em formas adequadas, é transformado em 
aço, que é vazado na forma de lingotes, os quais, por sua vez, são submetidos à 
transformação mecânica, por intermédio de laminadores, resultando em blocos, tarugos e 
placas. 
 
Estes, finalmente, ainda por meio de laminadores, são transformados em formas 
estruturais, tais como: tês, duplos tês, cantoneiras, etc., e em outros produtos 
siderúrgicos importantes, tais como trilhos, chapas e barras. 
 
As figuras abaixo ilustram um alto forno para redução do ferro, a partir do minério de ferro e 
o processo de laminação de chapas grossas. 
 
 
 
5.1. Matérias primas da Indústria Siderúrgica 
 
As matérias primas básicas da Indústria siderúrgica são: 
 
• Minerais de ferro 
• Carvão 
• Calcário 
 
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Outras matérias primas minerais são igualmente importantes, destacando-se o minério de 
manganês pela sua presença constante em todos os tipos de produtos siderúrgicos. 
 
O minério de ferro constitui a matéria prima essencial, pois dele se extrai o ferro. O carvão 
atua em três sentidos simultaneamente: como combustível, como redutor do minério, que 
é basicamente constituído de óxido de ferro, e como fornecedor do carbono, que é o 
principal elemento de liga dos produtos siderúrgicos. O calcário atua como “fundente”, ou 
seja, reage pela sua natureza básica, com as substâncias estranhas ou impurezas contidas 
no minério e no carvão (geralmente de natureza ácida) diminuindo seu ponto de fusão e 
formando a “escória”, que é o subproduto do processo do alto forno. 
 
5.1.1 Minério de Ferro 
 
Os minérios que contém ferro em quantidades apreciável são: os óxidos, carbonatos, 
sulfetos e silicatos. Os primeiros são os mais importantes sob o ponto de vista siderúrgico. 
 
Os principais óxidos são: 
 
���� Magnetita - óxido ferroso férrico, de fórmula Fe3O4, contendo 72,4% de ferro. 
���� Hematita - óxido férrico, de fórmula Fe2O3, contendo 69,9 % de ferro. 
���� Limonita – óxido hidratado de ferro, de fórmula 2Fe2O3 .3H2O contendo em média 
48,3 % de ferro. 
 
A magnetita é encontrada principalmente na Suécia, ao passo que a hematita é o minério 
mais comum, sendo encontrado entre outros países, na França, EUA, URSS, Índia, Austrália, 
Canadá e Brasil. 
 
As principais jazidas brasileiras localizam-se em Minas Gerais, Mato Grosso, e no 
Amazonas. Em Minas Gerais, os grandes depósitos estão quase todos compreendidos 
numa área denominada de “Quadrilátero Ferrífero”. Essa área está situada entre as 
cidades de Belo Horizonte, Santa Bárbara, Congonhas do Campo e Mariana. 
 
No Amazonas, estima-se que o potencial em ferro (Carajás) se situe em torno de 18 bilhões 
de toneladas, com teor de ferro em torno de 55%, o que, em resumo, coloca o Brasil numa 
situação altamente privilegiada em relação a essa importante riqueza mineral. 
 
Em Mato Grosso, as principais jazidas localizam-se em Urucum e Santa Cruz, próximo de 
Corumbá. Estimam-se as reservas em 50 bilhões de toneladas, com teor médio em ferro 
entre 50 e 55%. 
 
5.1.2. Operações de Beneficiamento de Minérios 
 
5.1.2.1. Objetivos 
 
Para ser submetido aos processos de extração do metal desejado, o minério primário 
deve ser beneficiado de forma a concentrar o composto metálico e apresentar uma 
morfologia que permita uma alta eficiência industrial e econômica do processo de 
extração, já que, após a mineração, o minério bruto apresenta morfologia e concentração 
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inadequadas aos processos finais de redução e refino. Isso torna necessário submeter o 
minério bruto a uma seqüência de operações de beneficiamento preliminar, cujos objetivos 
fundamentais são: 
 
���� Separar a ganga e o minério secundário 
 
���� Concentrar o minério primário, que contém o composto metálico desejado e colocá-lo 
numa morfologia que permita seu fácil manuseio e que maximize a eficiência do 
processo de redução. 
 
GANGA - minerais sem interesse econômico que ocorrem associados com o minério. Geralmente é prejudicial a 
economicidade da lavra por diminuir o teor, dificultar a extração ou beneficiamento do minério. 
 
As operações que constitui as etapas do beneficiamento são de três tipos: 
 
A – Fragmentação do minério bruto. 
B – Classificação do minério fragmentado. 
C – Concentração do Minério classificado. 
 
=> Fragmentação 
 
O minério bruto, resultante da mineração, geralmente se apresenta sob a forma de blocos 
com dimensões que podem atingir até 150 cm, inconvenientes ao seu processamento. 
Assim sendo, a primeira operação de beneficiamento consiste na “fragmentação”, 
reduzindo-os a partículas menores e com dimensões adequadas ao seu manuseio. 
 
Essa fragmentação é geralmente realizada em etapas seqüentes que podem consistir das 
seguintes operações: britagem, trituração, moagem e pulverização. 
 
O objetivo básico dessas operações é o de reduzir paulatinamente o tamanho médio dos 
blocos iniciais, sem ainda separar significativamente a ganga ou concentrar o minério 
primário. Nessas condições, os parâmetros de interesse da fragmentação se resumem ao 
índice de redução dimensional médio e à potencia necessária para o aumento da área do 
minério ao ser fragmentado. Os valores típicos desses parâmetros estão mostrados na 
tabela a seguir. 
 
OPERAÇÃO DE 
FRAGMENTAÇÃO 
DIMENSÃO MÉDIA DOS FRAGMENTOS 
(cm) 
POTÊNCIA 
ESPECÍFICA 
(ton/Kwh) Entrada Saída 
Britagem 150 - 50 30 – 10 0,2 – 0,5 
Trituração 30 – 10 5 – 1 0,5 – 2 
Moagem 5 -1 0,5 – 0,2 2 – 10 
Pulverização 0,5 – 0,2 < 0,005 > 100 
 
 
 
 
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Os equipamentos utilizados nas operações são normalmente de mecânica pesada, 
particularmente devido as grandes quantidades de minério a ser fragmentado. 
 
 
 Britador de Mandíbula Britador Giratório 
 
O moinho de bolas utiliza o atrito do minério triturado contra esferas de ferro fundido 
com dimensões controladas. Para tanto o moinho é alimentado com uma “polpa” do 
minério triturado por moagem e misturado com água. A ação das bolas contra essa polpa 
provoca a pulverização das partículas do minério bruto, atritando-as por meio de um 
movimento de rotação do corpo cilíndrico do moinho. 
A velocidade de rotação do moinho é comprometedora, pois deve ser suficientemente 
alta para garantir o efeito de “cascata” do material atritado, mas deve ser 
suficientemente baixa para impedir que o material centrifugue inutilmente nas paredes 
do moinho. 
 
O número crítico de rotações por minuto (rpm) pode ser calculado em função do diâmetro 
do moinho conforme fórmula abaixo: 
 
 Rc = 423 / D 
 
 
Rc = Velocidade de rotação crítica 
D = Diâmetro do tambor rotativo do moinho, em cm 
 
 
 
 Moinho de bolas 
 
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A prática tem mostrado que a maior eficiência de pulverização de minério tratado em 
moinho de bolas é conseguida com esferas de ferro fundido cujas dimensões estejam na 
faixa de 7 a 10 cm. 
 
As operações de fragmentação são geralmente de baixa eficiênciaenergética, a qual se 
situa normalmente na faixa de 5 a 30%, motivo pelo qual a fragmentação deve ser feita pela 
seqüência ótima de operações, eliminando-se aquelas consideradas desnecessárias. 
 
=> Classificação 
 
O minério bruto, fragmentado até a pulverização, necessita ser classificado, isto é, ser 
separado de acordo com as dimensões dos fragmentos. Em outras palavras, o minério 
fragmentado apresenta uma distribuição estatística de tamanho ou diâmetro médio dos 
fragmentos, a qual deve ser classificada ou separada segundo tamanhos ótimos para 
posterior etapa de concentração do composto metálico. Este objetivo pode ser atingido por 
meio de dois tipos de operação: 
 
A – Peneiramento do minério fragmentado 
B – Sedimentação dos fragmentos em meio fluido 
 
A – Peneiramento – Pode ser definido como a separação mecânica dos fragmentos de 
acordo com o seu tamanho, por meio de peneiras reticulares feita com fios metálicos (aço). 
Em geral, o peneiramento é feito por meio de movimentos de vibração ou rotação aplicados 
em conjuntos superpostos de peneiras. Essa operação pode ser feita a seco ou com polpa 
úmida. 
 
A eficiência do peneiramento decresce rapidamente à medida que decresce a abertura da 
retícula. As retículas das peneiras são geralmente padronizadas. 
 
A padronização mais utilizada é a AMERICAN TYLER SCREEN SCALE, na qual a abertura 
das peneiras sequentes difere de um fator constante 2 (1,41). 
 
Nesse padrão a retícula é designada pelo número de aberturas em polegadas (meshes/inch, 
abreviado por mesh number). 
 
Operacionalmente, o peneiramento pode ser realizado com telas reticuladas formando 
bandejas planas e superpostas submetidas a movimentos vibratórios, ou ainda sob a forma 
de cilindros concêntricos e giratórios conforme mostra a figura abaixo. 
 
 
Sistemas de peneiramento em cilindros concêntricos rotativos 
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B – Sedimentação – pode ser definida como a separação dos fragmentos segundo o seu 
tamanho, através da diferença de velocidade com que os fragmentos decantam 
(mergulham) em um meio líquido, geralmente água. Essa velocidade de queda, ou de 
sedimentação no fluido é dada pela Lei de Stokes, admitindo-se um fluxo laminar. 
 
 
 d2 (densidade do fragmento – densidade do fluido) g 
 V = --------------------------------------------------------------------------------, onde 
 18 µ 
 
 
V - velocidade de queda 
d - diâmetro médio do fragmento 
g - aceleração da gravidade 
µ - viscosidade do fluido 
 
Vimos que o objetivo básico da classificação por decantação é o de separar fragmentos de 
acordo com seu tamanho, e não de acordo com sua densidade. 
 
=> Concentração 
 
O objetivo da concentração é tomar o minério classificado e dele separar os diferentes 
produtos baseando-se em suas diferenças de propriedades físicas. Dessa separação 
deve resultar uma “concentração” do principal composto do minério primário, isto é, deve 
resultar um produto, denominado “concentrado”, no qual predomina quantitativamente o 
principal composto do minério. 
 
Tal objetivo pode ser atingido através dos seguintes tipos de operações: 
 
=> Flotação – separação dos produtos utilizando a tensão superficial dos mesmos. 
 
A separação ou concentração por flotação baseia-se na maior ou menor habilidade que a 
superfície do produto apresenta em deixar-se molhar pela água. Essa capacidade, 
denominada molhabilidade, é determinada pelo jogo quantitativo da seguintes energias de 
superfície (ou tensões superficiais): 
 
ƔS/L = tensão superficial entre o sólido e a água 
ƔS/A = tensão superficial entre o sólido e o ar 
ƔL/A = tensão superficial entre a água e o ar 
 
Um sólido é denominado hidrofóbico quando apresenta baixa molhabilidade pela água, 
ou seja: ƔS/L >> ƔS/A; ƔL/A. 
 
Por outro lado, um sólido será denominado hidrofílico se apresentar alta molhabilidade 
pela água, isto é: ƔS/A >> ƔS/L; ƔL/A. 
 
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No processo de flotação, a polpa mineral (mistura de minério com água) é atravessada por 
uma corrente de ar num tanque. O ar cruza a massa da polpa sob a forma de bolhas que 
entram em contato com as partículas do minério. Desta forma, as partículas sólidas têm a 
oportunidade de optar pela molhabilidade com a água ou de serem levadas pelas bolhas e 
“flotarem” na superfície. 
 
Em suma, os sólidos hidrofóbicos flotam na superfície, e os sólidos hidrofílicos 
permanecem na polpa e decantam. A figura abaixo representa uma célula de flotação. 
 
 
 
 Célula de flotação 
 
=> Separação gravitacional – baseia-se nas diferenças de densidade dos minérios e 
compostos metálicos. É usada particularmente na concentração de minérios muito ou pouco 
densos e dentro de uma ampla gama de dimensões de fragmentos. 
 
Normalmente procura-se estabelecer uma polpa com densidade média situada entre as 
densidades dos minérios que queremos separar ou concentrar. Desta forma, a separação se 
dará, não por diferença de tamanho, mas, essencialmente, por diferença de densidade. 
 
=> Separação magnética – baseia-se nas diferenças nas propriedades magnéticas dos 
compostos minerais. 
 
Essa operação de separação é largamente utilizada na concentração de minerais 
magnéticos, em particular da magnetita. Pode ser utilizada a seco na separação de grandes 
fragmentos (faixa de 100 a 5 mm), e com polpas para separação de partículas de menor 
tamanho. É uma operação de custo relativamente baixo, permitindo a exploração de 
magnetitas consideradas pobres (30% de ferro), concentrando-a até 70% de ferro. A figura 
baixo ilustra um separador magnético de esteira. 
 
 
Separador Magnético 
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=> Separação eletrostática – separação utilizando diferenças na condutividade elétrica. 
 
Os compostos minerais apresentam uma grande variação quanto à sua condutividade 
elétrica. Se diversas partículas sólidas de diferentes compostos forem carregadas 
eletricamente e colocadas em contato com um condutor aterrado, a carga elétrica deixará, 
mais rapidamente, as partículas de maior condutividade. Enquanto a carga permanecer na 
partícula, ela se manterá atraída pelo condutor aterrado. Assim, os compostos de menor 
condutividade permanecerão mais tempo atraídos e agregados pelo condutor. Esse 
comportamento é utilizado na separação eletrostática de minérios com diferentes 
condutividades elétricas. 
 
A separação eletrostática só é eficiente para fragmentos com dimensões pequenas (< 0,1 
mm), e deve ser feita a seco, já que a umidade pode alterar o comportamento eletrostático 
dos fragmentos de minérios. A figura abaixo ilustra um tipo básico de separador eletrostático. 
 
 
Separador Eletrostático 
 
=> Espessamento e filtragem – separação utilizando a capacidade de formar suspensão 
em água. 
 
O espessamento da polpa é conseguido simplesmente por decantação cumulativa das 
partículas em suspensão, isto é, decantação sob condições já vista na Lei de Stokes. Para 
acelerar e aumentar a eficiência do espessamento são utilizados aditivos denominados 
floculizantes, cuja função é aglomerar as partículas em suspensão formando flocos 
(colônias de partículas) que decantam mais rapidamente. Cal, aminas e extrato de goma 
arábica são utilizados com sucesso como floculizantes, na proporção aproximada de 100 
g/ton de polpa. 
 
O processo é geralmente executado em tanques de fundo cônico. Os flocos sedimentam no 
fundo cônico e são lentamente varridos por pás mecânica que acompanham a geometria do 
mesmo (uma revolução em cada 5 ou 10 minutos). A figura a seguir ilustra um tanque de 
espessamento de polpas. 
 
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Tanque de espessamento de polpas 
 
=> Limpeza gasosa –separação utilizando a capacidade de formar suspensão no ar. Essa 
separação de partículas em suspensão é normalmente feita por um dos três tipos de limpeza 
gasosa, tais como: 
 
���� Sedimentação em câmara 
���� Separação em ciclones 
���� Separação em precipitadores eletrostáticos 
 
A sedimentação em câmara consiste, essencialmente, na decantação das partículas em 
uma câmara de retenção no circuito de tiragem do ar, decantação essa que segue a Lei de 
Stokes. 
 
O ciclone é um dispositivo cilíndrico no qual injetamos o ar tangencialmente, provocando 
sua centrifugação contra as paredes internas do mesmo. Com isso, provocamos uma 
sedimentação forçada no sentido radial, com uma aceleração radial da ordem de 100 vezes 
a aceleração da gravidade. As partículas decantam radialmente segundo a Lei de Stokes e 
são recolhidas continuamente. 
 
Finalmente pode ser utilizado um precipitador eletrostático, dispositivo custoso, mas de 
alta eficiência. Consiste basicamente num cilindro vertical com um cabo na linha central do 
cilindro. Aplica-se uma alta voltagem CC entre o cilindro e o cabo, ficando este ligado ao polo 
negativo. O ar passa pelo cilindro e ioniza-se, ficando as partículas em suspensão 
carregadas negativamente. Em consequência, as partículas são atraídas e ficam aderidas as 
paredes internas do cilindro, de onde são retiradas periodicamente. A tensão normalmente 
utilizada varia de 50.000 a 70.000 volts.