tec07 Siderurgia

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Tecnologia dos Materiais
UNIDADE
VII
SIDERURGIA
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CONTEÚDO DESTA UNIDADE
Introdução.
Aplicações do Aço:
Utilidades Domésticas.
Transporte.
Construção Civil.
Embalagens e Recipientes.
Energia.
Agricultura.
Bens de Capital.
A História do Ferro e do Aço.
A Indústria Siderúrgica.
Produção do Ferro:
Matérias-primas da Indústria Siderúrgica.
Produção do Ferro Gusa: Alto-Forno.
Fabricação do Aço.
Processos de Redução Direta.
Processos de Fundição Contínua.
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INTRODUÇÃO
As ligas metálicas podem ser classificadas em:
NÃO-FERROSAS: alumínio, cobre, chumbo, zinco, entre outras.
FERROSAS: têm o ferro como principal constituinte:
FERRO COMERCIALMENTE PURO.
OS AÇOS: denominação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono de 0,008 a 2,11%, contendo outros elementos residuais do processo de produção. Podem conter outros elementos de liga propositalmente adicionados: se o aço não contém estes últimos, é chamado de AÇO-CARBONO. Do contrário, AÇO-LIGA. 
FERROS FUNDIDOS: é a designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acima de 2,11%.
RARAMENTE os metais são encontrados na forma pura na natureza, como o caso dos metais nobres (OURO e a PRATA, por exemplo). Em geral, aparecem combinados a outros elementos, formando os MINÉRIOS.
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Introdução
METALURGIA: compreende todos os processos físicos e químicos empregados para a extração dos metais a partir dos seus minérios.
SIDERURGIA: metalurgia do aço. Abrange todas as etapas necessárias para se produzirem o ferro e o aço, desde a matéria-prima.
O FERRO é o metal mais utilizado pelo homem:
É encontrado em quantidades abundantes no interior da crosta terrestre (corresponde a 5% DE TODA A MASSA DA CROSTA, até uma profundidade de 5 km).
O custo de produção das ligas ferrosas é relativamente baixo.
Pode apresentar múltiplas propriedades físico-químicas (obtidas com adição de outros elementos de liga), POSSUINDO UMA EXTENSA VARIEDADE DE APLICAÇÕES.
DESVANTAGENS: CORROSÃO E ALTA DENSIDADE.
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PRODUÇÃO DO FERRO
O ferro é encontrado na natureza combinado com outros elementos, principalmente OXIGÊNIO, formando o chamado MINÉRIO DE FERRO.
Basicamente, o minério de ferro é uma rocha que contém altos teores de ferro. Os principais são:
MAGNETITA: Fe3O4, contém 72,4%p de ferro.
HEMATITA: Fe2O3, contém 69,9%p de ferro, é o minério mais comum.
LIMONITA: 2Fe2O3·3H2O, com 48,3%p de ferro.
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Produção do ferro
Para se extrair o ferro do minério, é preciso então retirar o oxigênio ao qual está combinado. 
Isso é feito através do processo conhecido como REDUÇÃO.
Nesse processo, o carbono, presente no carvão vegetal, no coque ou no gás natural, é o REDUTOR, ligando-se ao oxigênio que se desprende do minério com a alta temperatura, deixando livre o ferro.
A redução do minério de ferro é feita principalmente em um equipamento especial denominado ALTO-FORNO.
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APLICAÇÕES DO AÇO
Há um crescimento da demanda de aço à medida que um país se desenvolve.
O consumo anual per capita de aço é um FORTE INDICADOR DO DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO DE UMA NAÇÃO.
O aço tem utilização em:
OBRAS DE INFRA-ESTRUTURA.
TRANSPORTE.
AGRICULTURA.
EDIFICAÇÕES.
BENS DE CONSUMO DURÁVEIS.
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Aplicações do aço
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APLICAÇÕES DO AÇO: UTILIDADES DOMÉSTICAS
Empregado em restaurantes, cozinhas industriais, hospitais, laboratórios, empresas em geral e nas casas das pessoas, tem a resistência necessária para os mais variados usos em forma de utensílios domésticos. 
Propriedades do aço:
Resistência a baixas e altas temperaturas.
Superfície que não permite o acúmulo de resíduos.
Composição química que o impede de descascar.
Baixo custo de manutenção.
Longa durabilidade.
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APLICAÇÕES DO AÇO: TRANSPORTE
O aço está presente nos carros, caminhões, ônibus, trens, metrôs, navios, bicicletas e motocicletas. Transporta a população, interliga cidades e conduz as cargas, distribuindo riquezas e espalhando progresso.
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APLICAÇÕES DO AÇO: CONSTRUÇÃO CIVIL
Largamente usado na construção civil, o aço pode estar presente como parte das obras ou como material principal. 
O sistema construtivo em aço permite:
Liberdade no projeto de arquitetura.
Compatibilidade com outros materiais. 
Menor prazo de execução.
Alívio de carga nas fundações,
Precisão construtiva. 
Além de ser 100% reciclável. 
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APLICAÇÕES DO AÇO: EMBALAGENS E RECIPIENTES
As embalagens de aço são usadas pela indústria em geral, sendo importantes na conservação e transporte de alimentos, produtos químicos, agrícolas, tintas, gases de cozinha e industriais. 
Especialmente em relação aos alimentos, o aço evita a contaminação, assegurando a sua qualidade. 
É 100% reciclável. 
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APLICAÇÕES DO AÇO: ENERGIA
O aço é FUNDAMENTAL na produção e distribuição de energia de um país. 
É usado em:
Usinas hidrelétricas, termelétricas e nucleares.
Torres de transmissão.
Transformadores.
Cabos elétricos. 
Plataformas. 
Tubulações.
Equipamentos de prospecção e extração de petróleo. 
Perfuratrizes, esteiras e caçambas das minas de carvão.
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APLICAÇÕES DO AÇO: AGRICULTURA
A eficiência do setor agrícola está diretamente ligada ao consumo de aço.
A terra é preparada com arados, semeada e cercada usando equipamentos que levam aço. 
Na hora da colheita, com as ceifadeiras e colheitadeiras, assim na armazenagem em silo e graneleiros, o aço também está presente, permitindo que os alimentos cheguem ao mercado.
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APLICAÇÕES DO AÇO: BENS DE CAPITAL
O aço começa a ser utilizado ainda no início das cadeias produtivas, quando dá forma a máquinas que servirão para fazer produtos necessários ao bem-estar da população. São os BENS DE CAPITAL.
Alimentos, eletrodomésticos, material de higiene e limpeza, automóveis, entre outros, TODOS OS PRODUTOS INDUSTRIALIZADOS dependem de bens de capital para existir e o aço é uma de suas matérias primas básicas 
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INDÚSTRIA SIDERÚRGICA: DEFINIÇÃO
INDÚSTRIA SIDERÚRGICA
MINÉRIO DE FERRO
Finos
Granulados
Pelotas
SUCATA
Aço Reciclado
Produtos Manufaturados - Indústria Metal-Mecânica
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A INDÚSTRIA SIDERÚRGICA
As usinas de aço, de acordo com seu processo produtivo, classificam-se em: 
INTEGRADAS: operam as três fases básicas: REDUÇÃO DO MINÉRIO, PRODUÇÃO DO AÇO (REFINO) e a LAMINAÇÃO. Exemplos: CSN, COSIPA (a coque), USIBA (a redução direta). 
SEMI-INTEGRADAS: operam duas fases, REFINO e LAMINAÇÃO. Partem de ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridas de terceiros, que são transformados em aço em aciarias elétricas e posteriormente laminados. Exemplos: GERDAU (sucata).
NÃO-INTEGRADAS: operam apenas uma fase do processo, REDUÇÃO ou LAMINAÇÃO. Compreendem:
PRODUTORES DE FERRO GUSA (GUSEIROS): empregam carvão vegetal em altos fornos para redução do minério. 
RELAMINADORES: de placas e tarugos, adquiridos de usinas integradas ou semi-integradas e também de material sucatado.
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A INDÚSTRIA SIDERÚRGICA INTEGRADA
Parte das matérias primas não elaboradas e vai até o produto final.
Responsável pela maior parte do aço fabricado no mundo.
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USINA INTEGRADA A COQUE
(USIMINAS, CSN)
Fonte Energética: Carvão
Muito Intensiva em Capital
Alta Dependência de Escala
Utiliza a Rota:
Coqueria + Alto Forno + Aciaria a Oxigênio
USINA INTEGRADA A REDUÇÃO DIRETA (USIBA)
Fonte
Energética: Gás Natural
Menos Intensiva em Capital
Média Dependência de Escala
Utiliza a Rota:
Redução Direta + Aciaria Elétrica
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A indústria siderúrgica integrada
As siderúrgicas a coque reduzem o minério de ferro no ALTO-FORNO, produzindo FERRO GUSA LÍQUIDO, o qual é posteriormente transformado em aço com o uso de oxigênio em um equipamento chamado CONVERSOR.
As siderúrgicas que empregam redução direta reduzem o minério de ferro normalmente com GÁS NATURAL, produzindo FERRO ESPONJA, que é depois transformado em aço em fornos elétricos. O processo de redução ocorre a temperaturas elevadas (entre 950 e 1.050 ºC), sem haver a fusão do minério. 
FERRO ESPONJA: produto da redução direta de pelotas de minério de ferro, é uma massa escura e porosa.
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NÍVEIS DE PRODUÇÃO DE GUSA VS FERRO ESPONJA
O gusa é a fonte mais importante.
A produção de FERRO ESPONJA vem crescendo em função de:
Altos investimentos para construção e reformas de coquerias e sinterizações.
Problemas ambientais ligados às coquerias e sinterizações nos países desenvolvidos.
Facilidade de transporte em relação ao gusa.
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Níveis de produção de gusa VS ferro esponja
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USINA INTEGRADA A COQUE: FLUXOGRAMA SIMPLIFICADO
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Granulado AF (Alto Forno)
E / OU
SINTERIZAÇÃO
Sinter
Pelota AF (Alto Forno)
E / OU
Coque
Aço Líquido
Minério de Ferro
Fundente
Carvão
Ferro
Gusa
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USINA INTEGRADA DE REDUÇÃO DIRETA: FLUXOGRAMA SIMPLIFICADO
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Granulado RD (Redução Direta)
E / OU
Pelota RD (Redução Direta)
Gás Redutor
Aço Líquido
Minério de Ferro
Gás Natural
Ferro
Esponja
REFORMADOR
Sucata
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MATÉRIAS-PRIMAS DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA A COQUE
MINÉRIO DE FERRO.
CARVÃO: tem 3 funções:
COMBUSTÍVEL.
REDUTOR DO MINÉRIO.
FORNECEDOR DO CARBONO, principal elemento de liga.
CALCÁRIO: é o FUNDENTE, reage com as impurezas do minério e do carvão, formando a ESCÓRIA.
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O MINÉRIO DE FERRO
O minério de ferro passa inicialmente por um processo de BENEFICIAMENTO, com a finalidade de torná-lo mais adequado para a utilização no alto-forno.
O beneficiamento consiste em uma série de operações: britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e a AGLOMERAÇÃO.
O processo de aglomeração produz aglomerados de minério, coque e aditivos (calcário). Objetiva:
MELHORAR A PERMEABILIDADE DA CARGA, 
REDUZIR O CONSUMO DE CARVÃO E 
ACELERAR O PROCESSO DE REDUÇÃO.
Os principais processos de aglomeração são a PELOTIZAÇÃO e a SINTERIZAÇÃO.
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O minério de ferro
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COQUE
O carvão de pedra ou mineral (hulha) não é adequado para ser utilizado no alto-forno, devido a sua baixa resistência mecânica.
O COQUE (principal combustível do alto-forno) é obtido da destilação do carvão mineral, o qual é aquecido a altas temperaturas em câmaras especiais (COQUERIAS), na ausência de ar, durante 17 a 18 horas. 
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Coque
Nessas condições, uma grande quantidade de produtos voláteis se desprendem do carvão mineral, obtendo-se uma estrutura porosa, com elevada resistência mecânica, o COQUE.
Os gases resultantes do processo são posteriormente aproveitados, obtendo-se a partir dos mesmos uma série de produtos importantes, como óleos leves e gás combustível.
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FUNDENTE
Tem a função de se combinar com as impurezas do minério de ferro e com as cinzas do carvão, formando a escória.
O principal fundente é o CALCÁRIO (CaCO3).
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OUTRAS MATÉRIAS-PRIMAS
MANGANÊS: é utilizado tanto no alto-forno (na forma de minério), como no processo de fabricação do aço (como liga ferro-manganês).
FUNÇÃO: elemento DISSULFURANTE e DESOXIDANTE.
Minério mais importante: PIROLUSITA (MnO2). A pirolusita não é um minério comum. O Brasil, entretanto, possui reservas consideráveis de boa qualidade.
SUCATA DE AÇO: permite o reaproveitamento do material e uma considerável economia de matéria-prima.
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PRODUÇÃO DO FERRO GUSA: ALTO-FORNO
O ALTO-FORNO é o PRINCIPAL EQUIPAMENTO da indústria siderúrgica.
Consiste em um vaso cilíndrico de aço de grande altura, revestido internamente por tijolos refratários.
É no alto-forno que ocorre a REDUÇÃO do minério de ferro, empregando o carvão (COQUE) como redutor, combustível e também como elemento fornecedor de carbono.
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O ALTO-FORNO
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O alto-forno
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O alto-forno
MINÉRIO DE FERRO, COQUE, CALCÁRIO e MINÉRIO DE MANGANÊS são carregados pela parte SUPERIOR do forno, alternadamente.
A operação é contínua, e o produto é o FERRO GUSA (líquido), mais ESCÓRIA.
FERRO GUSA: é o principal produto do alto-forno, consiste em uma liga de ferro e carbono, com teores elevados de CARBONO (em torno de 4%) e de impurezas (Si, Mn, P e S). 
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O alto-forno
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1.560 ton de minério de ferro
+
23 ton de minério de manganês
800 ton de coque
350 ton de calcário
2.000 a 2.500 ton de ar comprimido
200 a 400 ton de escória
1.000 ton de ferro gusa
+
+
+
=
+
Gás de alto-forno (CO2, CO, H2, N2) e poeira
+
CARGA
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O ALTO-FORNO E INSTALAÇÕES
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1
2
3
4
5
6
7
Minério 
Minério aglomerado
Fundente 
Coque 
Caçamba de carregamento 
Alto-forno 
Câmara da boca 
Receptor de poeiras 
8
Depurador úmido 
Estufa 
Ar frio 
Insufladores 
Escória 
Gusa
9
10
11
12
13
14
15
14
6
13
12
11
10
9
8
7
15
5
4
3
2
1
16
Ventaneiras 
16
17
Poeira 
17
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O PROCESSO DE REDUÇÃO
No interior do alto forno, existem 2 correntes de material:
CORRENTE SÓLIDA: representada pela carga que desce.
CORRENTE GASOSA: ascendente, formada pelos gases liberados da reação do carbono do carvão com o oxigênio.
A REAÇÃO DE REDUÇÃO do minério envolve as seguintes etapas:
C + O2 → CO2
CO2 + C → 2 CO (AGENTE REDUTOR)
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
FeO + CO → 2Fe + 3 CO
Uma vez removido do minério, o ferro fundido com alto teor de carbono (FERRO GUSA) é coletado no fundo do forno (CADINHO) a cada 3-5 horas.
O gusa recolhido é despejado no chamado CARRO-TORPEDO, segue para a ACIARIA, onde será transformado em AÇO.
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O PROCESSO DE REDUÇÃO: ALTO FORNO
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DESSECAÇÃO
REDUÇÃO
CARBURAÇÃO
FUSÃO
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O CARRO-TORPEDO
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O carro-torpedo
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A FABRICAÇÃO DO AÇO: USINA INTEGRADA A COQUE
O ferro gusa oriundo do alto-forno é transformado em aço na ACIARIA.
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A fabricação do aço: usina integrada a coque
Nesse processo, os teores elevados de carbono e de impurezas (Mn, Si, P e S) são reduzidos.
Isso é conseguido com o uso de OXIGÊNIO, em um equipamento especial, denominado CONVERSOR LD (Linz-Donawitz).
Esse processo também é conhecido como BOP (“Basic Oxygen Process”)
Oxigênio, com pureza entre 95 e 99,5 %, é introduzido no gusa líquido através de uma lança.
O excesso de carbono é eliminado pela oxidação, formando CO e CO2.
Oxigênio também oxida o Si, na forma de SiO2, o qual é transferido para a escória.
Acrescenta-se CAL para eliminar o excesso de P e para facilitar a remoção da escória. 
A reação resultante é FORTEMENTE EXOTÉRMICA: as temperaturas atingem 2.500 a 3.000 ºC.
Acrescenta-se SUCATA SÓLIDA para se controlar a temperatura.
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A fabricação do aço: usina integrada a coque
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A fabricação do aço: usina integrada a coque
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Conversores sendo carregados com gusa líquido
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A fabricação do aço: usina integrada a coque
Os conversores moderno têm capacidade superior a 100 ton.
Nas modernas siderúrgicas, todo o processo é controlado por computador, o qual controla com precisão a composição do aço.
Ao final, o conversor é inclinado para se retirar o aço produzido.
O material é transportado para ser transformado em LINGOTES, através do processo de LINGOTAMENTO CONTÍNUO.
Os lingotes seguem então para o setor de LAMINAÇÃO, onde serão transformados em produtos como CHAPAS, BARRAS e TRILHOS.
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O PROCESSO DE FUNDIÇÃO CONTÍNUA
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Panela intermediária 
1
1
2
Molde resfriado à água 
2
3
Borrifos de água 
3
4
Cilindros de suporte
4
5
Laminadores
5
6
Corte
6
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FLUXOGRAMA DE UMA ACIARIA
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ACIARIA: PRODUTO FINAL
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