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AÇO E SIDERURGIA Prof. Dr. Humberto Gracher Riella Metalurgia – que estuda e gerencia os metais, desde a extração até sua transformação em produtos adequados ao uso. Siderurgia – ramo da metalurgia que se dedica à fabricação e tratamento de aços e ferros fundidos. Principais minérios de ferro: • Magnetita (Fe3O4) – Corresponde a aproximadamente 72% de Fe e 28% de O. • Hemaltita (Fe2O3) – Corresponde a aproximadamente 70% de Fe e 30% de O. Fabricação de Aço e Siderurgia Fabricação de Aço e Siderurgia Os minérios de ferro precisam ser quimicamente reduzidos para que se obtenha o ferro metálico: Fe3+ + 3e- Fe Fe2O3 + 3C 2Fe + 3CO Atualmente existem duas técnicas mais importantes para a redução de ferro: Processo direto e Processo indireto. • Processo direto – O agente redutor é um composto gasoso (H2 ou CH4). A redução ocorre na temperatura de aproximadamente 1000ºC. • Processo indireto – O agente redutor é o coque. A redução ocorre em temperatura entre 1500 e 1600ºC. O processo é realizado em duas etapas: produção de ferro gusa líquido em alto- forno; e transformação de ferro gusa em diferentes tipos de aço na aciaria (unidade de uma usina siderúrgica com máquinas e equipamentos destinados a transformar o ferro gusa em diferentes tipos de aço). Fabricação de Aço e Siderurgia Coque O processo de produção do aço envolve outro composto, denominado coque. O coque é um combustível derivado do carvão, com altos teores de carbono. Coqueificação – Processo de aquecimento do carvão, obtendo-se um resíduo sólido, poroso, carbonoso (o coque), juntamente com a evolução de um certo número de produtos voláteis que escapam da câmara de coqueificação. Fig. 4.1 – Sequência de operações em um dos fornos de coqueificação. Os equipamentos desenvolvidos para produzir ferro metálico líquido (ferro-gusa) reduzido pelo carbono são chamados alto-fornos. Praticamente todo o ferro utilizado na produção primária do aço (exceção os produtos de redução direta) é obtido a partir de uma forma intermediária, o ferro-gusa. Ferro-gusa – Produto imediato da redução de minério de ferro pelo coque em um alto-forno. Pode ser utilizado no estado sólido ou líquido. Processo Indireto de Produção de aço O Alto-Forno O alto-forno é um reator do tipo chaminé no qual a carga sólida é descendente e os gases redutores ascendentes. É um equipamento contínuo e seu funcionamento é ininterrupto por anos. Os materiais contendo ferro (minério de ferro, sínter e/ou pelotas), o coque (combustível e redutor) e os fundentes (calcário e/ou dolomita) são continuamente alimentados pelo topo. Ar aquecido entre 900°C e 1350°C, muitas vezes com adições de combustíveis líquidos, sólidos ou gasosos, é insuflado pelas ventaneiras posicionadas na parte inferior do forno. O Alto-Forno A combustão do coque previamente carregado e/ou do combustível injetado pelas ventaneiras fornece o calor necessário às reações químicas e para a fusão do ferro, além do gás para a redução dos óxidos. Ocorrendo a redução do minério, o ferro reduzido absorve carbono e é fundido, escorrendo para o cadinho na parte inferior do forno. O fluxo combina-se com as impurezas do minério e com as cinzas do coque e forma uma escória que sobrenada o metal líquido do cadinho. Fig. 4.2 – Esquema de um alto-forno. Detalhe de dois mecanismos de topo para carga. O Alto-Forno O coque siderúrgico exerce três funções principais no alto-forno: • É o combustível; • É gerador de gás redutor ou age diretamente na redução; • Assegura elevada permeabilidade à coluna de carga. O processo indireto de produção do aço consiste, então, na purificação do ferro-gusa, sendo dividido em quatro etapas: 1. Preparação da carga ou sinterização – Grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque. O produto resultante é chamado de sínter. 2. Redução – Essas matérias-primas são carregadas no alto forno. O ar pré-aquecido é soprado pela parte de baixo do alto forno. O coque, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro, transformando-o em um metal líquido (ferro-gusa). Processo Indireto de Produção de aço 3. Refino – O ferro-gusa, líquido ou sólido, e sucata de ferro são levados às Aciarias, onde são transformados em diferentes tipos de aço. Nesta etapa, parte do carbono contido no ferro-gusa é removida juntamente com impurezas. A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo ou convencional para produzir semi-acabados, lingotes e blocos. 4. Laminação – Os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química. Processo Indireto de Produção de aço Processos de Redução Direta – São aqueles em que o ferro metálico é produzido por meio da remoção de oxigênio a ele associado no óxido, a temperaturas inferiores ao ponto de fusão dos materiais empregados. A redução de minério de ferro é efetuada sem que ocorra a fusão da carga no reator. O produto de redução é uma massa porosa denominada ferro-esponja. Ferro-esponja – Produto metálico com 85 a 95% de ferro e de 0,1 a 1,0% de C, podendo chegar a 2,0% de C. Tem aspecto esponjoso e é obtido no estado sólido à temperatura em torno de 1100ºC. Processo Direto de Produção de aço Após a produção do ferro-esponja, o mesmo é empregado em processos convencionais de aciaria, para a formação do aço (igual processo indireto). A principal diferença entre os diversos processos de redução direta está na maneira como os reagentes são postos em contato, bem como a fonte de redutor empregada. Atualmente, só existem instalações comerciais bem sucedidas utilizando gás natural, carvão e derivados de petróleo como fontes de redutores. Processo Direto de Produção de aço Quanto à forma dos reatores, e, consequentemente, o modo de contato dos reagentes, os quatro principais tipos utilizados nos processos de redução direta são: fornos de leito móvel; retortas de leito fixo; leitos fluidizados e fornos rotativos. Quanto ao tipo de redutor, os processos de redução direta podem ser divididos em duas classes: redutor sólido (carvão ou coque) ou redutor gasoso (gás natural-CH4 e/ou gases redutores, como CO e H2). Processo Direto de Produção de aço Observando-se a composição do ferro-gusa, nota-se que, para se atingir a composição desejada nos aços, além da adição de elementos de liga, é necessário reduzir o teor de carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre. Em uma usina siderúrgica, tais operações são realizadas na aciaria, onde ocorre o refino dos aços. Refino de Aços O princípio químico empregado no refino do gusa para obtenção do aço é a oxidação. Assim, todos os processos de aciaria envolvem meios de introduzir quantidades controladas de oxigênio no metal a refinar. O oxigênio se combina com os elementos indesejáveis (exceto enxofre) e, inevitavelmente, com parte do ferro, formando óxidos que podem deixar o sistema na forma de gases ou passar à escória. A remoção do enxofre depende basicamente da escória e da temperatura atingida no processo. Refino de Aços À medida que o gusa é refinado (reduzindo- se os teores de carbono, manganês e silício, principalmente), seu ponto de fusão aumenta, sendo necessário introduzir calor para se manter a carga líquida. As ações realizadas nas etapas de refino têm efeito direto sobre a composição química do aço. Além disso, direta ou indiretamente, estas ações afetam em maior ou menor escala um amplo conjunto de propriedades dos aços. Refino de Aços Fig. 4.3 –Fluxograma de produção de aço.
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