IPM 1-NA 08_MATÉRIAS PRIMAS E INSUMOS

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CENTRO PAULA SOUZA - ETEC D. ESCOLÁSTICA ROSA
CURSO TÉCNICO EM METALURGIA - INSTALAÇÕES E PROCESSOS METALURGICOS I
NOTA DE AULA 8 - Prof. Damião Borges Ramos
MATÉRIAS PRIMAS E INSUMOS
INTRODUÇÃO –
Entender os conceitos de matéria prima, material para uso e consumo e insumo pode ser fundamental tanto para vendedores, quanto para compradores. Por exemplo, em linhas gerais, materiais de uso e consumo não concedem direito a crédito de impostos. Já as matérias primas, sim.
 Matéria prima: também conhecida como materiais de utilização direta na produção, são aquelas imprescindíveis na produção de um determinado produto. A matéria prima é o material que se agrega fisicamente ao produto que está sendo fabricado, tornando-se parte dele.
Exemplos:
Embalagens ou rótulos.
Na cerâmica: argila para produzir tijolos.
Na indústria moveleira: madeira para produzir móveis.
Na indústria têxtil: algodão para produzir tecido.
Numa camisaria: tecido para produzir camiseta.
Na Metalurgia: minérios e sucatas de aços, metais não ferrosos e suas ligas; ferroligas.
Existem três tipos de matérias-primas: vegetal, animal e mineral. Elas podem ser utilizadas no estado natural ou transformadas, quando são processadas por outra indústria e dão origem a um material semimanufaturado.
Material para uso e consumo: é tudo aquilo que a empresa usa nas atividades comerciais, administrativas ou operacionais, desde que não se agregue fisicamente ao que está sendo produzido.
Exemplos:
Papéis e canetas.
O cafezinho do pessoal do escritório;
O lubrificante da máquina da produção;
A madeira que usada como lenha para uma caldeira.
Insumo: é tudo aquilo que é usado no processo de produção de um produto, mas que não necessariamente faz parte dele.
Existem três tipos de insumos: naturais, do trabalho e capital. Isso inclui ferramentas, energia, mão de obra, água, máquinas e tudo o que servir para gerar, no fim, o produto acabado.
Exemplos:
Na indústria têxtil para se confeccionar camisetas, utiliza-se a matéria-prima algodão. Então, todos os outros materiais e equipamentos podem ser considerados insumos, tais como a máquina de tecer, a água que lavou as camisetas, os produtos amaciantes, a máquina que colheu o algodão e todos os demais elementos que fizeram parte da elaboração do produto acabado.
 No caso da marcenaria, podemos colocar como exemplos de insumos a trena, a parafusadeira, a furadeira e o martelo. Tudo faz parte do conjunto de materiais que são utilizados para fabricar os móveis.
 Em Metalurgia: água, refratários, eletricidade, combustíveis, fundentes, escorificantes.
MATÉRIAS PRIMAS e INSUMOS –
 Minérios de ferro => podem ser hematíticos (Fe2O3), magnetíticos (Fe3O4), ilmeníticos (FeTiO3), limoníticos (óxido de ferro hidratado) e outros, sendo que os dois primeiros são os mais importantes. Os minérios brasileiros são hematíticos, com alta pureza (até 70% Fe) e pouca ganga (inservíveis), sendo considerados, qualitativamente, como um dos melhores do mundo.
Numa usina siderúrgica, podemos encontrar diversos tipos de minério: granulado, “pellet feed” e “sinter feed”. O minério granulado é usado diretamente nos altos fornos, enquanto que “pellet feed” se emprega na produção de pelotas e o “sinter feed” é usado para a produção de sínter, ambos processos de aglomeração de minérios de ferro, como será visto mais adiante.
Redutor => o mais usado é o coque metalúrgico, embora o carvão vegetal tenha alguma importância. O coque é obtido pela destilação de carvão mineral, obtida no processo de coqueificação. 
Considerando que o produto final seja o aço, a primeira etapa de produção numa usina integrada é a obtenção do ferro gusa, que será elaborado com adições de ferro-ligas. Portanto, impurezas das matérias primas devem ser eliminadas durante os processos de redução e de fusão e refino.
A maioria das gangas do minério, dos aglomerados e as cinzas do coque são eliminados durante o processo de fusão/redução, tais como alumina, óxido de cálcio e sílica (parte incorporada ao gusa na forma metálica). Elementos cujos óxidos são mais facilmente reduzidos que o de ferro são totalmente incorporados ao gusa (fósforo e cobre) e outros apenas parcialmente (como enxofre, silício, manganês e carbono). Impurezas menos nobre que o ferro, são eliminadas por oxidação seletiva (silício, carbono e manganês).
Enxofre e fósforo são considerados “inimigos” do aço, pelas dificuldades (altos custos) de sua eliminação e por afetarem negativamente as propriedades do aço, mesmo em quantidades muito pequenas (menores que 0,03%). Por isso, algumas usinas usam processo denominado pretratamento do gusa, que consiste na dessiliciação, desfosforação e dessulfuração do gusa, sendo que esta última – dessulfuração – é uma prática difundida nas principais siderúrgicas brasileiras. 
 Fluxantes, escorificantes e fundentes => fluxantes também denominados, erroneamente, escorificantes ou fundentes são materiais adicionados à carga para a formação das escórias durante a fusão/redução ou durante a elaboração do aço para controlar a composição, basicidade/acidez e potencial de oxidação das escórias ou para melhorar a fluidez das mesmas.
Portanto:
Fluxantes aumentam a fluidez e facilitam as reações e separação do metal/escória. Ex.: minério de ferro ( no início do sopro do conversor LD) ou minério de manganês adicionados para acelerar a dissolução da cal.
Escorificantes retém as impurezas com baixa atividade na escória. Ex.: Cal (escorificação da sílica formada pela oxidação do silício da carga metálica e para a remoção de fósforo e enxofre num conversor LD), dolomita calcinada e fluorita.
Fundentes são materiais que dissolvem a escória e formam uma solução com menor temperatura liquidus, possibilitando a viabilização do processo a baixas temperaturas. Em consequência dessa propriedade os fundentes agem também como fluxantes. 
Ex.: a cal em Siderurgia –
Na Sinterização = adicionada sob a forma de calcário, funciona como ligante.
Na Pelotização = como ligante para dar resistência às pelotas cruas durante o manuseio até o aquecimento.
No Alto Forno = fornece CaO necessário para a solubilização da ganga do minério numa escória fluida.
Na Aciaria LD = como escorificante.
Na Aciaria elétrica = é carregada em proporções de 3 a 4% no caso de sucata pouca oxidada e com baixo teor em fósforo ou 4 a 6% para os casos de sucata muito oxidada ou com teor de fósforo elevado.
Normalmente, fluxantes, escorificantes e fundentes são:
Óxidos ou carbonatos = são os mais usados por serem ambientalmente mais eficientes: óxidos de cálcio, magnésio, silício, bário, etc ou carbonatos contendo esses componentes (CaCO3 = calcário; [Ca, Mg]CO3 = dolomita; MgCO3 =magnesita). Carbonatos são decompostos durante o processamento em óxidos e dióxido de carbono (CO2), com evolução de gases, por uma reação endotérmica, isto é, que consome calor, devendo ser usados somente quando o balanço térmico e o perfil térmico do processo forem favorável.
Fluoretos = fluoreto de cálcio – fluorita – é um eficiente fluxante, melhorando a fluidez das escórias, porém, sua característica de dissolver os óxidos afeta de maneira negativa os refratários, provocando desgaste mais intenso, além, dos gases emanados não serem ambientalmente corretos, sendo poluentes.
Cloretos = raramente utilizados em siderurgia, sendo mais indicados para tratamentos térmicos e para processamento de metais não ferrosos.
As impurezas indesejáveis são fósforo, enxofre, álcalis (sódio e potássio) e metais voláteis (zinco, cádmio) e, em alguns casos, cloretos, lembrando que quando usados em aciaria, são mais críticos os teores de fósforo e enxofre.
 Sucatas => nas siderúrgicas integradas, as sucatas são adicionadas até, aproximadamente, 20% nas cargas dos conversores com benefícios econômicos e servindo para controlara temperatura final de sopro. No caso de aciarias elétricas a sucata é a matéria prima mais importante.
 		 Sucatas de geração interna normalmente não contêm impurezas indesejáveis. Por outro lado, embora a crescente preocupação das empresas de comercialização de sucatas em atender com qualidade seus clientes, as sucatas adquiridas de terceiros contem impurezas as mais diversas, que podemos classificar como:
Mais nocivas = enxofre (exige condições especiais de alta basicidade e redutoras para eliminação), cobre, arsênio, antimônio, níquel (não são eliminados por oxidação seletiva na fase oxidante de fabricação do aço, porque são mais nobres que o ferro).
Nocivas = fósforo (exige condições oxidante e de alta basicidade), zinco (por conter teores elevados diminui o teor de ferro contido, gera mais gases, aquece as tubulações do sistema de limpeza de gases e gera mais poeiras).
Menos nocivas = elementos facilmente oxidáveis durante a fase oxidante da fabricação de aços não são críticos, especialmente se a especificação final do aço não exige teores muito baixos desses elementos: alumínio, titânio, zircônio, nióbio, cromo, vanádio, molibdênio, tungstênio, silício, manganês, carbono.
Classificar a sucata de acordo com a NBR 8746:
Conforme a sua origem –
Interna = gerada pela própria Usina: cascões, pontas, placas sucateadas, recortes das linhas de acabamento.
De processamento = gerada na transformação do aço em produto acabado: retalhos de chapas e tiras, restos de estamparia, canais, massalotes e peças fundidas recusadas na Fundição, sobras de Processos de Conformação Mecânica.
De obsolescência = comumente chamada de ferro velho, engloba também os materiais metálicos reciclados.
b) Conforme seu modo de preparação:
Não preparada.
Prensada.
Briquetada.
Tesourada.
Fragmentada ( Shredded).
Quebrada.
Cortada.
Recuperada.
Conforme os termos usados nos diversos tipos:
Briquete.
Cavaco ou viruta.
Cavaco triturado.
Estamparia de indústria. 
Estamparia de indústria revestida.
Pacote de cavaco ou viruta.
Pacote de chaparia.
Pacote de chaparia.
Pacote de estamparia. 
Pacote de latinhas estanhadas.
Pacote de latinhas desestanhadas.
Pacote estanhado.
Sucata de chaparia solta.
Sucata de obsolescência.
Sucata de processamento.
Sucata industrial.
Sucata não especifica.
Sucata recuperada da escória.
 Desoxidantes, dessulfurantes, ferro-ligas e outras adições finais => 
Desoxidantes = em siderurgia, os principais são ferro-silicio, ferro-silicio-manganês (ferro-sílico-manganês) e alumínio. Devido à alta afinidade pelo oxigênio, são oxidados por esse elemento dissolvido no aço e formam os correspondentes óxidos estáveis que devem ser incorporados na escória. Fósforo é a impureza mais crítica, pois, não há possibilidade de ser removido nas etapas posteriores à desoxidação; enxofre é também crítico, principalmente nos processos que não passam por dessulfuração final.
Dessulfurantes = cálcio, magnésio, cálcio-silício, terras raras, cal (CaO), dolomita (MgO) e cálcio-magnésio se usados na etapa final de fabricação do aço não devem conter fósforo.
Ferro-ligas = ferro-manganês, ferro-vanádio, ferro-cromo, ferro-molibdênio, ferro-tungstênio, ferro-niquel, ferro-zircônio, ferro-nióbio, etc. Como são adições finais na elaboração do aço, as impurezas neles contidas são incorporadas aos aços. Portanto, impurezas contidas nos ferro-ligas podem ser críticas conforme as especificações dos aços.
Os aços micro ligados, por conterem baixos teores de elementos de liga, não são afetados tanto quanto aços-liga contendo médios (aços de construção mecânica, aços ferramenta) e altos teores de elementos de liga (aços inoxidáveis, aços resistentes à altas temperaturas). Novamente as impurezas críticas são o fósforo e o enxofre.
Nota: adições finais para acerto da composição química também podem ser feitas por metais “puros” e as impurezas devem ser controladas.
Refrigerantes = são adicionados para controlar a temperatura do banho metálico. Ex.: minério de ferro em qualquer etapa do processo LD, calcário.
Ferro gusa sólido = os chamados “pães de gusa”, são destinados à preparação da carga sólida para a produção de aços e ferros fundidos. Podem ser obtidos pelo lingotamento de gusa nas usinas integradas ou por fabricação própria nas siderúrgicas produtoras de ferro gusa não integradas.
FONTE: ABRAFE.
4. CARACTERISTICAS DESEJÁVEIS DAS MATÉRIAS PRIMAS
 				 
4.1) Físicas –
 Granulometria: especificações quanto ao tamanho e a distribuição das partículas, onde podemos considerar como princípios:
Permeabilidade = para processos de leito fixo ou praticamente fixo onde exista contracorrente de gases é necessária uma permeabilidade mais homogênea possível para que o fluxo gasoso tenha uma distribuição também homogênea. Pode-se exemplificar esses processos como sendo os de Altos Fornos (para fabricação do gusa), sinterização de minérios (para fabricação do sinter), alguns casos de secagem e calcinação (para fabricação da cal). A presença de partículas finas pode conduzir à inviabilização do processo (engaiolamento de cargas) até geração excessiva de poeiras formadas pelas partículas carreadas pelos gases. Portanto, é desejável que as matérias primas e aglomerados (sinter, pelotas de minério de ferro) se distribuam dentro de uma pequena faixa granulométrica, sendo que pelotas seriam desejáveis em relação ao minério bitolado para a carga dos altos fornos. 
Velocidade de reação = as reações de redução, calcinação, combustão, dissolução que ocorrem nos processos siderúrgicos são dependentes do tamanho das partículas. As restrições que ocorrem quanto ao menor tamanho para cada processo são:
Quanto à geração de poeiras durante a manipulação e carreamento por fluidização em processos envolvendo fase gasosa (redução em altos fornos, calcinação, secagem, fusão, etc).
Para que a permeabilidade da carga não seja afetada em processos de leito fixo envolvendo fases gasosas (reduções carbotérmicas e por hidrogênio, calcinações, ustulação, etc).
Quanto ao tamanho das partículas, pois, na combustão de particulados sólidos ou na dissolução de sólidos em líquidos, partículas menores são desejáveis. Assim é que os processos endotérmicos (calcinação e redução) são mais dependentes do tamanho das partículas.
Fluidização = definida como a propriedade de uma partícula sólida se manter em suspensão num fluído com uma dada viscosidade e com uma dada velocidade no sentido ascendente, é função do tamanho, das formas, da densidade das partículas, da tensão superficial e superfície especifica. Processos de leito fluidizado (injeção de pós reativos por lança) exigem que materiais da mesma natureza se apresentem dentro de uma faixa granulométrica estreita, pois, para dadas propriedades dos fluidos sua velocidade, partículas pequenas seriam carreadas e partículas grandes sofreriam decantação, causando problemas à operação de injeção.
Transmissão térmica = nas reações endotérmicas de calcinação, há necessidade do calor atingir por transmissão térmica da superfície da partícula até a interface de reação. Quanto menor a partícula, mais facilmente esse objetivo é atingido, porém, valem as restrições apresentadas quanto à fluidização, carreamento e permeabilidade da carga. Partículas com distribuição estreita de granulometria são desejáveis admitindo-se uma boa distribuição térmica no forno.
Segregação = materiais de mesma natureza e mantidas as demais características constantes apresentam ângulos de repouso diferentes em função do tamanho das partículas. Portanto, num empilhamento para estocagem as partículas maiores tendem a rolar mais facilmente e se concentrar na base do que no topo. O mesmo ocorre no carregamento do alto forno.
 Densidadeaparente e real: a densidade real é uma característica do material, porém, a densidade aparente depende do material, da distribuição granulométrica, da forma das partículas e das porosidades. A mistura de materiais de densidades diferentes é dificultada pela tendência à segregação durante manuseio, carregamento e distribuição da carga dentro de um forno. Outra influência é na adição de matérias primas durante a desoxidação, dessulfuração ou acerto da composição química dos aços:
Materiais de menor densidade que a da escória sobrenadam na mesma se forem agitadas ou mergulhadas no banho para que sofram dissolução. 
Matérias de densidade intermediaria (maioria das adições) entre escória e banho metálico, as velocidades de reação melhoram, mas, normalmente são recomendadas as técnicas de injeção. 
Materiais de alta densidade, porém, de densidade aparente baixa associada a pequenas partículas, por efeito da tensão superficial, podem flutuar sobre a escória ou sobre o banho metálico.
 
Área superficial: está relacionada com tamanho, forma e porosidade das partículas, influindo favoravelmente na maioria das reações metalúrgicas.
Tensão superficial/molhabilidade: propriedade que afeta principalmente a aglomeração e dissolução de partículas sólidas no banho metálico ou na escória. Quanto mais o material é “molhado” pela fase líquida, melhor, ou seja, quanto menor o ângulo ( ( ) de contato entre material e liquido.
4.1.5) Estruturais – dependendo de como são, as estruturas podem influenciar nas velocidades das reações metalúrgicas. Assim, materiais formados por cristais (grãos) pequenos, porosidades abertas e trincas (ou fissuras) são mais desejáveis que os materiais de estrutura compacta. Quando um material é submetido a altas temperaturas (acima de 300 ºC) a vaporização brusca da água contida no material compacto pode levar à degradação com geração de partículas finas (crepitação) quando as pressões internas superam a resistência mecânica do material. Estruturas compactas são mais susceptíveis de inchamento, pois, diminuem os pontos de nucleação se comparados com os materiais mais porosos.
4.2) Químicas e mineralógicas - 
Composição química = quanto mais pura a matéria prima, menos consumo de energia, menos geração de escória, menos adições/correções são necessárias e o processo mais eficiente. Componentes puros apresentam atividade química bem elevada.
As matérias primas normalmente estão associadas a impurezas e quando essas formam soluções sólidas ou compostos com o componente principal, a atividade química deste elemento diminui e assim diminuem as reações desejadas. Exemplo: reações de redução de FeO para Fe durante a sinterização do minério de ferro, por formação da fayalita (FeO.SiO2).
A presença de fases hidratadas, umidade ou matérias voláteis, dependendo do processo, pode conduzir à crepitação ou à projeção do banho/escória. Então, na etapa final de fabricação do aço deve-se evitar materiais contendo fases hidratadas ou contendo umidade ou materiais voláteis.
Assim, de uma maneira geral, considera-se que as matérias primas devem apresentar propriedades a frio e a quente:
4.2.1)	Propriedades a frio: não devem degradar por ruptura (fratura) ou desgaste durante o manuseio, estocagem, transporte, carregamento, mistura e eventual classificação. Essa degradação pode ser entendida como sendo a formação de finos por abrasão ou ruptura.
4.2.2)	Propriedades a quente: quando carregadas nos fornos, as matérias primas precisam apresentar comportamentos físicos (degradação) e químicos (redução e reatividade) que viabilizem o processo.
Crepitação = fenômeno de degradação por ruptura do material em partículas menores quando submetido bruscamente a temperaturas acima de 300 ºC. A causa principal é a presença de umidade interna ou matérias voláteis ou água de cristalização ou carbonatos que, no aquecimento, se vaporizam e se decompõem, aumentando a pressão no interior do material e causando a fratura em partículas menores. É uma função da porosidade assim como da quantidade e natureza dos componentes passíveis de vaporização ou volatilização.
Inchamento = fenômeno de aumento do volume que alguns minérios de ferro e aglomerados apresentam durante a redução por carbono. Inchamentos considerados catastróficos ocorrem na etapa de redução do FeO para ferro metálico e são originados pelo crescimento filamentar do ferro numa temperatura entre 900 e 1050 ºC. Isso ocorrendo, praticamente inviabiliza a redução nos altos fornos.
Perda de resistência à compressão a altas temperaturas = está associada ao inchamento e aos materiais aglomerados com cura a frio que usam ligantes orgânicos, pois, estes são decompostos e perdem sua resistência. Já aglomerados com ligantes inorgânicos (por exemplo, cimento) obtêm alta resistência com a hidratação dos componentes e eles se decompõem com a temperatura (600 a 900 ºC), perdendo também a resistência mecânica.
Redutibilidade = propriedade do minério ou do aglomerado ser mais ou menos facilmente reduzido pelas fases gasosas (CO, H2 ou CO + H2) que depende da estrutura do material, granulometria, porosidade, mineralogia e trincas.
Reatividade = propriedade cinética importante para os carvões e coque, que depende principalmente da estrutura, da mineralogia, da porosidade e da granulometria dos carvões e do coque. São classificadas como:
Oxireatividade = reações de combustão com ar ou oxigênio.
Carboreatividade = reações com CO2 – Bourdoard.
Hidroreatividade = reação com água.
Tioreatividade = reatividade com enxofre.
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