Ferro Gusa

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Minérios de Ferro..........................................
	O ferro aparece normalmente na natureza sob forma de óxidos, embora também possa ser encontrado sob forma de carbonatos e sulfetos em pequenas ocorrências e até mesmo na forma nativa em pequenas proporções. É o metal mais abundante na natureza depois do alumínio e seus principais minérios são:
Magnetita: Constituído essencialmente de óxido de ferro com fórmula Fe3O4 (peróxido).Apresenta um teor nominal de 72,4% de ferro, mas o teor real devido à presença de ganga, varia de 50% a 70%. È um material de cor cinza escuro e apresenta propriedades magnéticas, o que facilita sua concentração em operações de beneficiamento.
Hematita: É o tipo mais comum de minério de ferro, constituído essencialmente pelo óxido com fórmula Fe2O3 (trióxido). Apresenta um teor nominal de 69,5% de ferro contido, mas o teor varia de 45 a 68%. È um material geralmente de cor avermelhada.
Limonita: Consiste essencialmente em hematita hidratada, com fórmula Fe2O3.H2O, na qual a proporção de moléculas da água de hidratação pode varia de 1 a 3. Em conseqüência, varia também o teor nominal de ferro, ficando o teor real na faixa de 20 a 50% de ferro contido. Apresenta-se como um material de cor marrom e é considerado um minério relativamente pobre.
Siderita: É um tipo pouco freqüente de minério, ocorrendo normalmente como componente de mistura da hematita em pequenas proporções. È constituído do carbonato de ferro com fórmula FeCO3 apresentando um teor nominal de 48.3% de ferro e um teor real de10 a 40%.
Pirita: Também um tipo pouco freqüente de minério, ocorrendo como componente de mistura de minérios de outros metais como cobre. É basicamente um sulfeto de fórmula FeS2, sem maior interesse siderúrgico. 
Os minérios de ferro são geralmente lavrados a céu aberto, pois se constituem essencialmente em depósitos aluvionais. O minério passa inicialmente por processos de beneficiamento como fragmentação por britagem, moagem e pulverização, seguida de classificação por peneiramento e finalmente, concentração por métodos de separação magnética. Em seguida o minério passa, eventualmente, por processos de preparação como:
Calcinação a 800ºC, onde a limonita, eventualmente presente, é desidratada:
Fe2O3.H2O Fe2O3 + H2O
(s) (s) (g) 
E a siderita, eventualmente presente é calcinada:
 FeCO3 FeO + CO2
 (s) (s) (g) 
Ustulação: a 1000ºC onde a pirita eventualmente presente é tostada:
Fe2O3.H2O Fe2O3 + H2O
	E parte da hematita é oxidada:
3Fe2O3 + O2 2Fe3O4
Finalmente o minério é aglomerado por pelotização e sinterização, realizada em máquinas do tipo Dwight-Lloyd. Desta preparação resultam em blocos porosos de alguns centímetros com cerca de 40 a 60 % de ferro contido.
Combustíveis..................................................
COQUE METALÚRGICO:
	Produto previamente obtido pela destilação da hulha ou carvão mineral, com a finalidade de prover o carbono-redutor e o carbono-combustível.
É produzido à temperaturas da ordem de 1200º a 1400ºC, em câmaras hermeticamente fechadas. As matérais voláteis são expelidas, enquanto que permanece na retorta o carbono fixo e a cinza sob forma de material poroso de grande resistência. O coque é de coloração cinza escura e a sua aparência é a de uma esponja. A porosidade e a resistência é o que conferem ao coque notáveis propriedades como combustível para alto forno. A porosidade permite que o combustível seja prontamente penetrado pelo ar, resultando uma rápida combustão, mas mais importante que isto é a resistência ao esmagamento do coque que o torna capaz de suportar uma pesada coluna de carga em um forno de cuba, enquanto que a hulha betuminosa nestas condições, seria esmagada e compactada numa massa sólida, impedindo a marcha regular do forno.
Há dois métodos de fabricação do coque metalúrgico. No processo mais antigo, o de “colméia”, as matérias voláteis desprendidas do carvão são perdidas. No segundo, destila-se o carvão em câmaras retangulares estreitas fechadas chamadas “retortas”, onde as matérias voláteis são totalmente recolhidas pois fornecem sub-produtos valiosos. As matérias voláteis são recolhidas em uma tubulação que sai da parte superior da retorta. Como as retortas são muito bem vedadas, não há entrada de ar e conseqüentemente não há queima. O calor necessário para a destilação provém das câmaras de combustão que envolvem a retorta. A operação completa-se num tempo que varia entre 16 e 20 horas em retortas com largura entre 40 e 50 cm.
As matérias voláteis são conduzidas através de um série de condensadores onde são recolhidos, separadamente o alcatrão, compostos amoniacais, óleos e naftas. O gás remanescente é utilizado como combustível nas próprias câmaras de combustão.
CARVÃO VEGETAL:
A carbonização (pirólise) é o mais antigo dos tratamentos químicos da madeira. O homem já utilizava o carvão desde a época das cavernas.
Os métodos de carbonização da madeira não mudaram muito durante os séculos. Existem muitos modelos de fornos para carbonizar madeira, podendo ser classificados da seguinte forma:
Pelo Aquecimento
Fornos com aquecimento interno
Fornos com aquecimento externo.
Pela Mobilidade
Fornos fixos
Fornos portáteis
Pela Continuidade
Fornos contínuos
Fornos por cargas
Dentre os mais difundidos no Brasil, estão os fornos de aquecimento interno, fixos e que trabalham por cargas, conhecidos como fornos de superfície.
Não iremos nos ater muito ao processo de produção do carvão vegetal, mas iremos mencionar as vantagens e desvantagens de sua utilização:
Vantagens
	A utilização de madeira como fonte de redutores de minério de ferro oferece interessantes atrativos tecnológicos:
São isentos de enxofre (S), isto é vantajoso na metalurgia pois este elemento casa sérios problemas, que podemos citar, mas o mais evidente é a fragilidade à quente.
O carbono produzido na Terra não interfere no equilíbrio da Terra. As florestas consomem CO2, mas também o despendem ao queimar-se e degradar-se. Os combustíveis fósseis produzem CO2 mas consomem O2 na hora de produzi-lo.
Redução em ALTO-FORNO
	O processo mais empregado atualmente para a extração do ferro é o da redução de seu minério (óxidos), utilizando-se o carbono como agente redutor. Essa redução é feita em um tipo especial de forno chamado ALTO-FORNO, o qual consiste essencialmente em um reator tubular vertical, no qual a redução se verifica de maneira particularmente contínua. Conforme ilustra a figura abaixo, o alto-forno é alimentado com a carga sólida na parte superior e com ar pré-aquecido na parte inferior.
 
	A carga sólida de alto forno se compõe basicamente de três componentes:
Minério de ferro – Geralmente a base de hematita ou de uma mistura de hematita e magnetita, com um teor médio de 40 a 60 % de ferro contido e sob forma de pelotas sinterizadas. Normalmente este minério é acompanhado de uma pequena proporção de ganga (( 10%), constituída principalmente de sílica (SiO2).
Fundente – Geralmente à base de calcário (CaCO3) que calcina no interior do alto forno formando cal (CaO), que atuará no acerto da escória.
Coque – Produto previamente obtido pela destilação da hulha ou carvão mineral, com a finalidade dupla de promover o carbono-redutor e o carbono-combustível.
A redução do minério (óxido de ferro) pelo coque (carbono-redutor) se dá por meio de reações endotérmicas ((H>0). O calor necessário a essas reações é produzido pela combustão exotérmica ((H<0) de parte do coque (carbono-combustível) com o oxigênio do ar (pré-aquecido) a 800 – 1000ºC) que é insuflado na parte inferior do alto forno.
O resultado das reações que ocorrem no alto forno é constituido de:
Ferro Gusa – Conhecido como ferro de primeira fusão. Ferro em estado líquido e contendo de 3 a 4 % de carbono dissolvido e 6 a 7 % de diversas impurezas e elementos dissolvidos tais como enxofre, fósforo, silício e manganês, geralmente originários da ganga do minério ou do próprio coque. O ferro que resulta da redução é geralmente sólido e esponjoso, fundindo-se ao atingir a zona de maiores temperaturas do alto-forno. Esse banho de ferro gusa se deposita no fundo do alto forno, de onde pode ser escoado de tempos em tempos.
Escória – Mistura de óxidos em estado de fusão, que por sua menor densidade, sobrenada o banho de ferro gusa. É composta de material da ganga e do fundente carregado no alto forno. Devido à sua fluidez, pode ser também escoada de tempos em tempos.
Poeira – Constituída essencialmente de cinzas resultantes da queima do coque e de materiais inertes contidos na ganga. Essa poeira é arrastada pelos gases quentes que sofrem uma tiragem na parte superior do forno
Gases – Evoluem pela parte superior do alto forno a uma temperatura da ordem de 300ºC. São constituídos essencialmente de uma mistura de gás carbônico (CO2) e monóxido de carbono (CO). O calor contido nesses gases é geralmente aproveitado no pré aquecimento do ar insuflado no alto forno. A proporção CO/CO2 nos gases de saída gira em torno de 2 e 3. 
Um alto forno típico tem cerca de 30 metros de altura e 7 metros de diâmetro máximo, apresentando uma pequena variação de diâmetro interno, necessária para compensar a variação de volume (expansão dos gases) em função da temperatura. Este alto forno típico pode produzir em torno de 2000 a 3000 to/dia de ferro gusa. Entretanto pode-se encontrar altos fornos com capacidade de até 10500 ton/dia (recorde mantido pela siderurgia japonesa).
	Cabe ressaltar que um alto forno tem que manipular uma quantidade de materiais fantasticamente maior do que a quantidade de ferro gusa produzido, geralmente da ordem de sete vezes maior.
Reações do Alto Forno
A redução do minério de ferro em alto forno, se verifica ao longo do mesmo durante a queda da carga sólida, o que demora da ordem de 10 segundos. A redução é realizada por meio de uma série de reações. Essas reações se dão em etapas caracterizadas pelas seguintes zonas térmicas do alto forno:
Zona de redução Indireta – Situada na parte superior do alto forno e delimitada pela faixa térmica de 100 a 700 ºC. Nesta etapa, praticamente toda a hematita do minério de ferro é reduzida à magnetita pela ação do carbono (coque), redução essa caracterizada pela formação de gás carbônico (CO2).
500ºC
6Fe2O3 + C ( 4Fe3O4 + CO2 
 (s) (s) (s) (g) 
Zona de Redução Direta – Situada na parte intermediária da altura do alto forno e delimitada pela faixa térmica de 700 a 1500ºC. Nesta etapa nota-se que a magnetita é reduzida a ferro metálico (esponjoso) pela reação do carbono (coque), redução esta caracterizada pela formação de monóxido de carbono (CO).
1000ºC
Fe3O4 + C ( 3Fe + CO 
 (s) (s) (s) (g)
Zona de fusão e combustão – Situada na parte inferior do alto-forno (logo acima do banho escória/ferro gusa) e delimitada pela faixa térmica de 1500 a 1800ºC aproximadamente. Nesta etapa, observa-se a fusão do ferro esponjoso formado na etapa anterior, assim como a combustão do carbono (coque) remanescente da redução (combustão esta que fornece o calor necessário para as reações endotérmicas das etapas anteriores) e que se caracteriza pela formação do monóxido de carbono (CO).
- fusão do ferro:
 				 1530ºC
Fe ( Fe (H1873 = Lf = 3,5 Kcal/mol Fe 
(l)
 -Combustão:
 1800ºC
 2C + O2 ( 2CO 
 	 (s) (g) (g)
Na realidade, a reação de redução direta da segunda etapa é uma síntese da redução intermediária da magnetita, com formação de Wustita (FeO), a qual é, então, imediatamente reduzida a ferro.
1000ºC
Fe3O4 + C ( 3FeO + CO 
 				 (s) (s) (s) (g)
 
1000ºC
3FeO + 3C ( 3Fe + 3CO 
 				 (s) (s) (s) (g)
Entretanto se fizermos a soma das duas reações acima, resulta:
 1000ºC
Fe3O4 + 3FeO + 4C ( 3Fe + 3FeO + 4CO 
Onde,
 1000ºC
Fe3O4 + 4C ( 3Fe + 4CO
Reação esta idêntica portanto à anteriormente mostrada na segunda zona do alto-forno.
Outro mecanismo que pode ocorrer na zona de redução direta é o da formação intermediária de gás carbônico (CO2), imediatamente reduzido a monóxido de carbono(CO):
1000ºC
2Fe3O4 + C ( 6FeO + CO2
1000ºC
6FeO + 3C ( 6Fe + 3CO2
 1000ºC
					 4CO2 + 4C ( 8CO
Entretanto se fizermos a “soma” das três reações, resulta:
							 1000ºC
2Fe3O4 + 6FeO + 8C + 4CO2 ( 6Fe + 6FeO + 4CO2 + 8CO
A qual, simplificando os coeficientes, resulta em:
 1000ºC
Fe3O4 + 4C ( 3Fe + 4CO
Reação esta idêntica, portanto à reação global de redução mostrada anteriormente para a segunda zona do alto forno. Da mesma forma, a reação global de combustão da zona de fusão e combustão pode ser desdobrada em:
 1800ºC
C + O2 ( CO2
 1800ºC
CO2 + C ( 2CO
Outra hipótese de mecanismo de redução direta do alto forno é a que considera o monóxido de carbono (CO) como agente redutor, e não o carbono (coque) em si. Isto é, considera-se que o monóxido de carbono, formado pela reação de combustão acima, atua como agente redutor da magnetita, formando gás carbônico (CO2), o qual é imediatamente reduzido pelo carbono (coque), ou seja:
 1000ºC
Fe3O4 + 4CO ( 3Fe + 4CO2
 1000ºC
				 4CO2 + 4C ( 8CO
Paralelamente às reações básicas acima discutidas, observa-se no alto forno reação de tipo secundário, quais sejam:
-Calcinação do fundente calcário na zona de redução direta:
 1000ºC
CaCO3 ( CaO + CO2
 1000ºC
 CO2 + C ( 2CO
-Redução paralela de componente da ganga do mineiro de ferro, particularmente na zona de fusão e combustão do alto forno:
 1800ºC
SiO2 + 2C ( Si +2CO
(s) (s) (l) (g)
 
 1500ºC
MnO + C ( Mn + CO
 (s) (s) (l) (g)
Instalações do Alto forno
Para tornar operacional a extração do ferro, o alto forno exige uma série de complexas instalações periféricas.
Um alto-forno de capacidade média pesa cerca de 7.000 toneladas, o que exige uma fundação maciça de concreto armado. As altas temperaturas reinantes durante o processo de redução do minério exigem a colocação de uma camada interna de material refratário de alta durabilidade, já que limitará a vida útil do alto-forno. Tal vida útil é normalmente da ordem de 6 a 8 anos, podendo ultrapassar 10 anos (recorde da siderurgia japonesa).
Das instalações periféricas do alto-forno, a mais complexa e onerosa é a que se refere ao carregamento de carga sólida. O sistema de carregamento e sua complexidade podem ser inferidos na fig. 6.7. O carregamento da carga sólida é feito pelo topo do alto-forno por meio de um sistema duplo de sinos carregadores, que operam em seqüência, de modo a manter vedado o interior da chaminé. Esses sinos de carregamento se abrem em função do peso da carga que recebem, através de um subsistema de contrapesos. É, também na parte superior que se pode observar os sistemas de tubulação dupla para coleta e tiragem dos gases quentes e da poeira resultantes da redução do minério e da combustão que se verificam no interior do alto-forno.
Também em sua parte inferior se verificam instalaçõesperiféricas complexas e onerosas. É ali que se encontra o sistema de injeção de ar, feito através de um tubo toroidal de distribuição e de bicos do alto-forno através de cavidades denominadas “ventaneiras”. É em sua parte inferior que é coletado e escoado o ferro gusa, resultante da redução do minério. É também por escoamento que se retira a escória que sobrenada o banho de ferro gusa.
O calor dos gases quentes que saem do alto-forno é aproveitado para o pré-aquecimento do ar que é injetado na base, segundo o esquema mostrado na fig. 6.8. Isso é feito por meio de duas colunas trocadoras de calor, denominadas regeneradores cowper. Tais regeneradores operam de forma alternada, pois enquanto um está sendo aquecido por meio de queima dos gases retirados do alto-forno, o ar flui pelo outro previamente aquecido. Essa operação permite que o ar seja pré-aquecido a temperaturas entre 900 e 1.000ºC.
Produtividade do alto-forno
 A capacidade média de produção dos altos-fornos sofreu um substancial incremento nas duas últimas décadas, como pode ser observado na tab. 6.2, referente à produção inglesa, tomada como exemplo significativo.
Um dado importante para o controle da produtividade do alto-forno é o consumo específico do coque por ferro gusa produzido, o qual deve girar em torno de 0,5 a 0,6 ton/ton. A tab. 6.3 mostra a evolução desse consumo para os três principais produtores do mundo. Cabe mencionar que o menor consumo específico de coque no Japão se deve ao fato de que, naquele país, é freqüente a injeção de óleo combustível no alto-forno, assim como a injeção parcial de oxigênio junto com o ar insuflado, fatores que demandam um menor consumo de coque-combustível, porém um maior custo global.
Minério
Fundente
Coque
 
200ºC
Gases e poeira
500ºC
700ºC
30 M
1000ºC
1500ºC
1800ºC
Ar
Ar
1400ºc
Escória
Ferro gusa
7,0 m
(G673= -27 Kcal/mol C
(H673 = +15 Kcal/mol C
(G673= -50 Kcal/mol C
(H673 = +250 Kcal/mol C
(G2073= -150 Kcal/mol O2
(H2073 = -56 Kcal/mol O2
(G1273= -17 Kcal
(H1273 = +145 Kcal
(G1273= -33 Kcal
(H1273 = +105 Kcal
(G2073= -15 Kcal/mol Si
(H2073 = +150 Kcal/mol Si
Dissolução no ferro gusa
(G1773= -10 Kcal/mol Mn
(H1773 = +65 Kcal/mol Mn