Produção de Aço na Indústria Siderúrgica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
GABRIELLE DE SOUZA
LARISSA PAZINI
LUIZA NAOMI KITA
INDÚSTRIA SIDERÚRGICA
CURITIBA
 2016
GABRIELLE DE SOUZA
LARISSA PAZINI
LUIZA NAOMI KITA
INDÚSTRIA SIDERÚRGICA
Trabalho apresentado como requisito para aprovação na disciplina Introdução a Engenharia química, no curso de graduação em Engenharia Química, setor de Tecnologia da Universidade Federal do Paraná
Professor: Alberto Tadeu Martins Cardoso
CURITIBA
2016
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
	A siderurgia é um ramo da metalurgia, a diferença entre as duas é que a primeira atua em um campo mais amplo produzindo vários tipos de metais como: titânio, alumínio e cobre e a siderurgia trabalha apenas produzindo aço.
A fronteira entre o ferro e o aço começou a partir da revolução industrial, onde foram criados fornos que tornaram possível corrigir as impurezas do ferro e adicionar propriedades como ductilidade e dureza. O aço é uma liga de ferro e carbono, obtido pelo minério de ferro e compostos orgânicos como carvão mineral. 
	O aço tem grande aplicação na construção civil, naval entre outras.
	Existem dois tipos de usinas siderúrgicas: as integradas e as semi-integradas. As integradas participam de todo o processo de produção (redução, refino e laminação) e tem como matéria prima o minério de ferro, já as semi-integradas operam em apenas duas fases (refino e laminação) e sua matéria prima é a sucata de ferro ou ferro gusa. 
	Nesse trabalho vamos abordar apenas o processo de produção integrado.
FLUXOGRAMA REDUZIDO INDUSTRIA SIDERURGICA
Matérias primas
Preparação das matérias primas
Extração do metal 
Elaboração
Produto final acabado
Conformação
2. MATÉRIAS PRIMAS
As matérias primas mais utilizadas na indústria siderúrgica são o minério de ferro, carvão mineral e os fundentes (calcário e dolomita). 
 2.1 MINÉRIO DE FERRO
O minério de ferro mais usado é a hematita (Fe2O3) por ser a mais abundante na natureza e contém concentração de ferro entre 50% e 70%.
 2.2 CARVÃO MINERAL
É o combustível usado no alto-forno e seu uso se dá em três sentidos:
Fornecedor de calor para combustão;
Fornecedor de carbono para redução do óxido de ferro;
Fornecedor de carbono como principal elemento para a liga ferro gusa;
O carvão mais usado no processo siderúrgico é o carvão betuminoso (carvão
macio) sendo denominado carvão coqueificável. Ele deve amolecer e se agregar no aquecimento formando uma massa sólida. Recomenda-se que o carvão possua conteúdo de cinzas inferior a 8%, quantidade de enxofre (problemas de fragilidade a quente) menor que 1,5% e fósforo (problema de fragilidade a frio) menor que 0,02%.
O carvão mineral, por ser muito poluente, pode ser substituído pelo carvão vegetal, que emite muito menos gases do efeito estufa que o carvão mineral. O produto final do carvão vegetal é o aço verde, uma das maiores riquezas descoberta nos últimos anos pelos brasileiros para combater a emissão dos gases do efeito estufa.
2.3 FUNDENTES
	São as substâncias que auxiliam no processo de fusão do metal. As principais substâncias usadas no processo siderúrgico como fundente são o CaO, MgO e SiO2. O calcário é o principal portador de CaO e pode ser utilizado bruto ou calcinado. A principal fonte de MgO é a dolomita ou cal dolomítica e a principal fonte de SiO2 é o quartzito.
	A composição da escória no final do processo vai depender das matérias primas utilizadas, o tipo de fundente usado no processo reflete na alcalinidade da escória e como esta irá reagir com as paredes no alto-forno.
 	A importância dos fundentes pode ser mostrada analisando a quantidade que é usado. Hoje em dia, para a produção de 1000 Kg de gusa são utilizados aproximadamente 330 Kg de material fundente.
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3. PREPARAÇÃO DA CARGA
3.1 COQUEIFICAÇÃO
Processo no qual o carvão mineral é aquecido a altas temperaturas (1300ºC) por um período de 16 a 18 horas na ausência de ar onde substâncias voláteis do carvão são destiladas e evaporadas. O produto do processo será uma massa de carbono denominada coque, que possui alta resistência, porosidade e alto ponto de fusão. O processo ocorre nas coquerias que são constituídas por um conjunto de fornos dispostos lado a lado.
3.1.1 Coquerias
As coquerias são constituídas de fornos verticais de 1 a 15 metros de comprimento, 3 a 7 metros de altura e 300 a 500 metros de largura. Suas paredes são construídas de tijolo refratário de sílica para evitar a passagem de gases. E cada forno tem portas removíveis para possibilitar a retirada do coque incandescente.
Os fornos são aquecidos por um gás que é injetado em uma rede de dutos que por sua vez são conectados aos regeneradores, que alimentam dois fornos de coqueificação adjacentes. A função dos regeneradores é absorver calor dos gases queimados e inverter o fluxo dos gases, eles servem para aquecer o gás que irá ser usado para combustão.
Figura 1 Coquerias
http://ficadicanoticias.blogspot.com.br/2012/08/novas-aplicacoes-para-coprodutos.html
3.2 SINTERIZAÇÃO
Esse processo é conhecido como aglomeração, o calor (1200ºC a 1400ºC) é utilizado para a diminuição da energia superficial das partículas, transformando uma massa de granulometria fina em carga bitolada. Para aumentar a reatividade é necessário deixar o produto final mais poroso, pois garantirá melhor percloração para ser utilizado no alto forno, esse material será denominado sínter. Porém o sínter será menos denso que o minério de ferro o que o deixará com baixa resistência mecânica.
Figura 2 Esquema do princípio da sinterização.
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAM6EAA/sinterizacao
Figura 3 imagem microscópica do sínter
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe6OEAK/metalurgia-po?part=2
Processos utilizados
Existem dois processos que podem ser utilizados na sinterização: Greenwalt e Dwight & Lloyd. Confira na tabela abaixo, os prós e contra da utilização de cada processo.
	Greenwalt
	Dwight & Lloyd
	Produção por bateladas
	Produção contínua
	Baixo investimento
	Alto investimento
	Baixa produtividade
	Alta produtividade
	Pior qualidade de sínter
	
	Mais antigo
	
Figura 4 Esquema de maquina de sinterização continua
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe6OEAK/metalurgia-po?part=
FLUXOGRAMA DE UMA SINTERIZAÇÃO 
Sínter Feed
Coque
Outros
H2O
Fundentes
 
Misturador
Falsa grelha
Sinterizador
Britador primário
Resfriador
Peneira (50 mm)
 
 > 50 mm
Britador secundário
 < 50mm
Peneiras 20 mm
 10 mm 
 5 mm
	 5 a 50 mm
 5 mm
Sínter
Alto forno
4. REDUÇÃO
As matérias primas já preparadas são levadas ao alto forno, onde são transformadas em ferro gusa e escória liquida, que são separados por diferença de densidade.
O processo consiste basicamente na redução dos óxidos de ferro por meio de um combustível carbonoso redutor. 
Para que as reações de redução dos óxidos de ferro ocorram em velocidades rápidas, é necessário temperaturas acima de 1000o C, onde obtemos o ferro por redução indireta ou por redução direta. 
A redução direta são processos nos quais a redução do minério de ferro a ferro metálico é efetuada sem que ocorra a fusão da carga no reator em nenhuma das etapas. 
	Os processos de redução direta podem ser divididos conforme o tipo de redutor, em duas classes: redutor sólido(carvão ou coque) ou redutor gasoso (gás natural CH4 e/ou gases redutores como CO, H2). 
	Esse processo é altamente viável em países subdesenvolvidos, com minérios de alta qualidade, com escassez de sucata e com gás natural em abundância, reduzindo consequentemente a utilização do coque que é necessário nos altos fornos, pois este redutor necessita de carvão mineral coqueificável que possui alto custo. 
	A redução indireta ocorre no alto-forno e usa coque como redutor está explicada no item 4.1 deste trabalho.
4.1 REAÇÕES QUIMICA NO ALTO FORNO (REDUÇÃO INDIRETA)
Produção de energia e formação de monóxido de carbono (CO): 
Ocorrerá a queima do carvão ativado com a entrada de ar quente gerando monóxido de carbono e calor segundo a equação:
2C(s) + O2(g) ⇒ 2CO(g) + energia
A reação não formará CO2 devido a alta temperatura da reação (1500ºC) e o excesso de carbono.
A oxidação do carbono ocorre próximo a entrada de ar (ventaneiras), próximo a base do alto forno, cerca de 1 a 3 metros. O excesso de CO torna o gás do alto forno combustível. 
4.2 REDUÇÃO DO FERRO 
O ferro do minério deve ser reduzido a ferro metálico. O monóxido de carbono serve para reduzir o ferro. 
3Fe2O3 (s) + CO(g) ⇒ 2Fe3O4 (s)+ CO2 (g)
Fe3O4(s) + CO(g) ⇒ 3 FeO(l) + CO2 (g)
FeO(l) + CO(g) ⇒ Fe(l)* + CO2(g)
*Gusa líquida
4.3 REAÇÃO DA ESCÓRIA
CaCO3 ⇒CaO + CO2
CaO + SiO2 ⇒CaSi O3 (escória)
O silicato de cálcio recebe o nome de escória e depositam-se no cadinho sobre o ferro, evita a oxidação, se retirada periodicamente. As escórias são utilizadas na produção de tijolos, blocos e concretos e são vendidas para fábricas de cimento.
A gusa líquida é transferida para a aciaria por carros-torpedos.
Figura 5 Esquema de alto-forno
fonte: https://cdn.fbsbx.com/v/t59.2708-21/11695540_1085441694816755_820229688_n.pdf/Siderurgia_Quimica.pdf?oh=a1f4b5143d51f767404dfa3e023eca32&oe=580844E6&dl=1
4.4 Alto-Forno
O alto-forno é constituído de três partes essenciais: cadinho, rampa e cuba e sua altura, compreendendo tais componentes, supera 30m, aos quais devem acrescentar cerca de 4,5 a 5,0m do fundo de cadinho ao piso do chão.
Cadinho
É a parte do alto-forno onde se acumulam o metal fundido e a escória, produto das reações que ocorrem no seu interior. O cadinho é cilíndrico e construído em chapa grossa de aço, com revestimento interno de material refratário de natureza sílico-aluminosa ou de blocos de carbono. Placas retangulares de ferro fundido são colocadas entre a chapa de aço e o revestimento refratário, contendo tubos de água para que exista resfriamento. O diâmetro do cadinho, dependendo da capacidade do forno, pode ser igual ou maior que 10 metros, e sua altura geralmente é superior a 4 metros. 
Na fundo do cadinho a mais ou menos 1m de profundidade, situa-se o furo de corrida do gusa, o qual, durante a operação do forno, permanece fechado com massa refratária. Acima do furo de corrida do gusa, entre 2,0 a 2,40m do fundo, situam-se os furos de corrida de escória.
A cerca de 3,25m do fundo situam-se as ventaneiras , através das quais é soprado ar pré-aquecido e sob pressão.O número de ventaneiras, de formato cônico, construídas de cobre e refrigeradas a água, varia de 20 a 32.
 
Figura 6 Cadinho
 
Rampa
As dimensões variam desde o diâmetro do cadinho até 10,5 ou mais, com altura que pode superar 4m. A rampa corresponde à zona mais quente e seu refratário possui espessura mais fina que a do cadinho, exigindo um resfriamento externo mediante o emprego de placas metálicas por onde circula a água. 
						Figura 7 Rampa
							
Cuba
A cuba tem formato de funil invertido. Sua altura, a partir da rampa, pode superar 25m.
A cuba é revestida de tijolos refratários de grande espessura e devido ao desgaste, essa espessura é maior na base e vai diminuindo até chegar ao topo.
Na parte superior do alto-forno situa-se o sistema de carregamento. Ele é constituído de uma tremonha de recebimento de carga, ligada ao silo.
Figura 8 Cuba
4.4.1 Carros-torpedo
Os carros-torpedo operam sobre trilhos e fundações reforçadas e sua capacidade é entre 200 e 500 toneladas. Além de transportar o ferro-gusa, os carros-torpedo são empregados como recipientes para a dessulfuração. São injetadas por meio gasoso misturas de CaC2, CaO, C. As reações envolvidas na dessulfuração no carro-torpedo são: 
CaC2(l) + S(g) → CaS(s) + 2C(s)
CaO(l) + C(s) + S(g) → CaS(s) + CO(g)
 
Figura 9 Carro-Torpedo
Fonte: http://www.hewittequipamentos.com.br/videos?s=mp
4.4.2 Subprodutos do alto-forno
	Os principais subprodutos do alto-forno são gás de alto-forno, pó de alto-forno e escória. 
	O gás de Alto Forno contém de 21 a 25% de CO, 18 a 22% de CO2, 2 a 5% de H2 possuindo 700 a 800 kcal/Nm3 de poder calorífico e por isso ele é recuperado e usado como combustível. 
	O gás é enviado para o sistema de limpeza de gases e pode ser usado para diversos fins, tanto "puro" como em mistura com gás de coqueria ou com gás de convertedor. 
	 A composição de pó varia de acordo com a matéria prima usada, porém, aproximadamente é composto por 25 a 40% de Ferro; 40 a 45% de C; 5 a 7% de SiO2 e 2 a 4% de CaO. 
	A quantidade de escória produzida é normalmente 250 a 340 kg por tonelada de gusa. A escória de Alto Forno era descartada, porém agora ela é um subproduto se apresentando na forma de escória bruta (aterros) e escória granulada (usada na fabricação de cimento). 
5. REFINO
Aciaria é o lugar da indústria onde ocorre a transformação do ferro gusa em aço, pelo processo de refino, que consiste na remoção de impurezas e adição de elementos para conferir ao aço características desejadas.
Na aciaria, o ferro-gusa liquido passa pelo forno conversor de oxigênio, que tem a função de injetar o gás na massa de ferro, para que ocorra a combustão do dióxido de carbono (CO2) e do monóxido de carbono (CO), removendo assim, parte do carbono contido no ferro, um processo de aproximadamente 20 minutos de duração. Outras impurezas como os elementos manganês, silício, fósforo e enxofre são removidos sendo oxidados e combinados com cal e óxido de ferro, formando a escória que, por ser menos densa que o aço, flutua agora na forma liquefeita deste. Outras substâncias são acrescentadas ao aço para lhe conferir propriedades. Depois de todo o aço ser aproveitado, a escória é decantada em um recipiente separado. Ela é resfriada e deixada para estabilizar por um período que pode durar meses, depois pode ser utilizada para a fabricação de cimento. Ao fim do processo é produzido o aço na forma líquida.
Figura 10 Etapas do refino
http://images.slideplayer.com.br/33/10152186/slides/slide_15.jpg
O aço já refinado é transportado à unidade de lingotamento contínuo. Moldes são preparados com barras falsas, que são posicionadas e vedadas na parte inferior desses. Isso impede que ocorra vazamento de aço líquido quando os moldes começarem a ser enchidos. O sistema de tampão libera um fluxo do aço para os moldes, com vazão controlada. No interior do molde o aço sofre uma forte e constante transferência de calor, formando uma casca, uma vez que as paredes dos moldes são de placas de cobre refrigeradas a água. À medida que a barra falsa começa a ser extraída do interior do molde, por ação da unidade de extração, o lingote é por ela guiado à câmara de spray forçando o seu resfriamento. O lingote recebe uma força na vertical modificando seu perfil de curvo para retilíneo. Após isto, segue sobre uma mesa de rolos e é cortado em tamanhos pré-definidos nas máquinas de corte. Finalmente chegam ao leito de resfriamento de onde são retirados normalmente por esteiras e empilhados nas áreas de estocagem ou carregados em vagões para transporte para a continuação de seu processamento em outra área, normalmente de laminação.
Figura 11 Lingotamento
http://sine.ni.com/cms/images/casestudies/us1.png?size6. LAMINAÇÃO 
 
Os semiacabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores, onde são deformados mecanicamente, passando entre dois rolos giratórios que os comprimem sob alta tensão de compressão e cisalhantes superficiais, resultantes do atrito entre os rolos e o material. Estas tensões de fricção também são responsáveis pelo tracionamento do material, assim puxado para fora do espaço entre os rolos de laminação. O laminador consiste de um conjunto de rolos, mancais, uma carcaça que é uma gaiola cuja função é envolver e suportar todo o conjunto, e um motor para fornecer potência aos rolos e controlar a velocidade de rotação. Pode ser feito a altas temperaturas, laminação a quente, ou a temperatura ambiente, laminação a frio. O processo pode ser continuo ou em etapas. São obtidos produtos siderúrgicos como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões, arames, perfilados, barras, cuja nomenclatura depende de sua forma e composição química.
Figura 12 Laminação
http://mmborges.com/processos/Conformacao/cont_html/laminacao_arquivos/image010.jpg
6.1 LAMINAÇÃO A QUENTE
Executada no início do processo de laminação, a primeira operação de laminação a quente é realizada no laminador primário de desbaste, que recebe o lingote solidificado e o transforma numa chapa ainda bastante grossa para que possa passar pela laminação a frio. Possui Forças de laminação menores que as da laminação a frio. Produz acabamento superficial pobre. Geralmente a laminação a quente de aços começa com temperaturas entre 1.100 e 1.300ºC e termina entre temperaturas da ordem de 700 a 900ºC, com o objetivo de produzir grãos de ferrita uniformemente equiaxiais.
Produtos da laminação a quente: bobinas de aço, vigas de aço, canos de aço, etc. 
Figura 13 Bobina de aço
http://websites.listas.com.br/prodinox/imagens/bobina2.jpg
Figura 14 Viga de aço
http://wwwo.metalica.com.br/images/stories/Id4880/deflexao-viga02.jpg
Figura 15 Tubos de aço
http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/imagem/segmentos/tubos-de-aco-sao-essenciais-em-alguns-projetos-de-construcao_1.jpg
6.2 LAMINAÇÃO A FRIO
A laminação a frio é uma operação complementar, que sucede à laminação a quente e tem por objetivo a produção de chapas, tiras e folhas de aço com melhores tolerâncias dimensionais e microestrutura mais refinada, permitindo a obtenção de propriedades mecânicas adequadas e acabamentos superficiais bom ou ótimo. a laminação a frio é intercalada com tratamentos térmicos de recozimento, que restauram a ductilidade do material ,normalmente por recristalização, que foi diminuída pelo encruamento associado à deformação plástica introduzida no processo de conformação mecânica. Para remover a camada de óxido que se forma sobre a superfície do aço laminado e recozido, como decorrência do aquecimento realizado no recozimento, geralmente o material é mergulhado em tanques contendo soluções ácidas que dissolvem essa camada de óxido. Este processo conhecido como decapagem.
Produtos da laminação a frio: fitas de aço, roscas, porcas, parafusos de aço, bases das latas de alumínio, etc.
Figura 16 Fita
http://dginox.com.br/img_produtos/fitas2.png
Figura 17 Parafusos, roscas e porcas
http://www.reiparparafusos.com.br/imgs/logoentrada-2.jpg
Figura 18 Base de latas de aço
http://3.bp.blogspot.com/-wKiS4ZGO_qg/TtomaOuaVwI/AAAAAAAAFP8/oQyRMSte5lU/s1600/navidad%2Blatas.JPG
7. CONCLUSÃO
Com esse trabalho foi possível considerar que o processo de fabricação do aço está muito além de sua conformação e seus produtos estão muito presentes em todo cotidiano.
 Passando por um processo produtivo que vai desde a extração do minério de ferro, sua redução no alto forno, então a transformação em aço nas aciarias e a laminação para se tornar materiais indispensáveis em areas desde a construção civil até a alimentícia.
A indústria siderurgica é um ramo que causa impactos ambientais, tanto pela retirada da matéria prima quanto pelos resíduos energéticos e materiais do processo, porém é necessaria. Por isso, um dos maiores desafios da engenharia atual é consiliar a alta produção com o minimo de destruição do ambiente. 
8. REFERÊNCIAS
http://www.portaldoreflorestamento.com.br/carvao-vegetal-na-industria-siderurgica.html Acesso em 02 Out. 2016.
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAOeEAH/fundentes-na-siderurgia Acesso em 02 Out. 2016.
http://www.abmbrasil.com.br/epss/arquivos/documentos/2011_4_19_10_20_42_09719.pdf Acesso em 02 Out. 2016.
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAHCkAI/treinamento-coqueria?part=2 Acesso em 08 Out. 2016.
http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/conteudo/5220-forno-de-conversao-a-oxigenio/ Acesso em 08 Out. 2016.
https://esquadraodoconhecimento.wordpress.com/ciencias-da-natureza/quim/a-fabricacao-do-aco/ Acesso em 10 Out. 2016.
http://www.engenhariadomovimento.com.br/2015/06/lingotamento-continuo-o-metodo-mais.html Acesso em 10 Out. 2016.
http://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?codConteudo=238 Acesso em 10 Out. 2016.