Metalurgia do ferro

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METALURGIA DO FERRO 
REDUÇÃO DE MINÉRIO DE FERO 
Siderurgia = metalurgia do ferro 
Sistema Fe-O-C 
 
• Minério de ferro: Fe + Oxigenio 
• Redução: Minério +carbono Fe (C)+ CO/CO2 
• Refino: Fe (C)+ Oxigênio Fe (O) +CO/CO2 
• Desoxidação: Fe (O) + desoxidante (Al, Si, C) aço 
acalmado 
 
 
Principais contaminantes 
• ganga do minério: SiO2, Al2O3, P, Mn 
 
• cinzas do coque e carvão fóssil: SiO2, Al2O3, S 
 
• cinzas do carvão vegetal: CaO, MgO, Na2O, 
K2O 
 
 
Energia para Siderurgia 
• Principal fonte energética: Carbono 
• Carvão mineral e carvão vegetal 
• C + O2 >> CO2 + energia 
• Grande geração de gases estufa 
• Consumo energético no Brasil : 9,6 % de toda 
energia produzida no país 
Ferro e Aço 
 Ferro: comportamento variado em 
função de composição química, teor 
de carbono, e histórico de 
tratamento termo-mecânico. 
Aço: ligas ferro-carbono 
contendo menos de 2% de 
Carbono, podendo conter 
outros elementos de liga 
 
Ferro fundido: ligas ferro-
carbono contendo mais de 2 % 
de carbono, contendo ainda 
silício e outros elementos 
 
 
Ferro e Aço 
 Dependendo da composição, 
pode ser temperado, adquirindo 
propriedades únicas 
 O aço original dos antigos é o 
ferro temperado 
 A sua obtenção dependia da 
ocorrência de inúmeros 
fenômenos sobre os quais os 
antigos não tinham 
conhecimento suficiente para 
dominar 
 
PROPRIEDADES DOS AÇOS 
DEPENDEM DE: 
•COMPOSIÇÃO QUÍMICA 
 
•MICROESTRUTURA 
 
 
Alterando temperatura; alterando velocidade de 
resfriamento; deformando e tratando termicamente 
Metalurgia Antiga 
 a extração do ferro ocorria 
na maioria das vezes no 
estado sólido 
 conformação nas forjas 
com separação da 
escória, carburação/ 
descarburação 
duas etapas da metalurgia antiga 
Evolução dos processos siderúrgicos 
Evolução dos processos siderúrgicos 
A: Forja Corsa; B: Forja Catalã; C: Forno Osmund; D: Stucköven 
 
Consumo de carvão 
 forno poço antigo: produzia botões de 60 kg com fuel rate assustador de 75000 kg C/ton 
Fe 
 fornos medievais 
 forja Corsa: botões de 125 kg, fuel rate: 22800 kg Carvão/ton Fe 
 forja Catalã: botões de 150 kg, fuel rate:11500 kg Carvão/ton Fe 
 Stückoven: botões de 300 a 900 kg, fuel rate: 6000kg C/ton Fe 
 carvão obtido por carbonização da madeira em pilhas em fornos de meda, 
 as quantidades envolvidas já prenunciavam os sérios problemas de abastecimento que 
diversas regiões da Europa iriam enfrentar 
Alto Forno 
 
 primeiro alto forno europeu: Brescia, em 
 1450 desenvolvimento motivado mais pela 
necessidade do produto, ferro fundido, 
mais adequado para fabricação de 
canhões, do que por questões técnicas 
 
 fim da Idade Média: 
 comércio de ferro e aço plenamente 
difundido 
 diferentes tecnologias coexistiam, tanto 
para a extração do ferro como para a 
obtenção de aço 
 Novo Aço 
 
 William Kelly (EUA): carbono do gusa 
pode ser “queimado” com ar, 
aumentando a temperatura e 
diminuindo o teor de carbono até 
converter-se em aço. 
 Considerado perturbado mentalmente 
ao propor fazer aço “sem combustível” 
 Simultaneamente Henry Bessemer 
(Inglaterra)trabalhou na mesma linha e 
patenteou o processo. 
 
 Apesar da dificuldade de tratar gusa 
com teores elevados de fósforo, o 
processo prosperou e foi adotado por 
diversos fabricantes 
Obtenção de Ferro e Aço 
A partir de minério de ferro: 
Usinas integradas: redução do minério de ferro a 
ferro metálico (ferro gusa), produto intermediário 
(ironmaking), seguido de obtenção do aço 
(steelmaking) 
 
A partir de sucata de ferro e aço: 
Usinas semi integradas (mini mills):fusão de sucata 
em forno elétrico 
 
Usinas integradas 
Usinas semi-integradas 
Coqueria 
Transforma carvão mineral em coque por distilação 
(aquecimento a 1000°C na ausência de ar) 
Preparação da carga metálica 
Sinterização: prepara o 
minério de ferro na forma de 
sinter, nas usinas 
siderúrgicas 
Pelotização: produz pelotas a partir de 
minério de ferro fino, nas empresas 
mineradoras 
• mistura de minério de ferro e coque entra por 
cima e é colocada no topo do empilhamento. 
 
• a carga desce e é aquecida pela corrente de 
gases gerados na reação do ar pré-aquecido 
injetado, a temperaturas entre 900 ºC e 1200 ºC. 
 
• Na região acima da ventaneira do alto forno, 
ocorre fusão do ferro e gotejamento de gusa 
líquido, que cai no interior do cadinho, na parte 
inferior do forno. 
 
• Dois subprodutos são formados: escória e gás. A 
escória e o metal se acumulam no cadinho e se 
separam por diferença de densidade. 
 
• O gás que sai pelo topo do alto forno é composto 
de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono 
(CO2) e principalmente de nitrogênio (N2) e após 
mistura com gases de coqueria é utilizado para 
pré-aquecer o ar insuflado no alto-forno. 
O ALTO FORNO 
Alto Forno 
Redução de Minério de Ferro  Alto 
Forno: diâmetro= 10 a 14 m, altura = 60 
a 70 m 
Equipamentos Auxiliares: 
sistema de aquecimento do ar -
regeneradores 
sistema de sopragem-turbo-soprador 
sistema de coleta e limpeza dos gases 
sistema de carregamento 
sistema de drenagem (casa de corrida) 
Produtos:  GUSA ( 1.500 C) 
 - Escória 
 - GAF 
Esquema simplificado do alto 
forno, indicando os principais 
equipamentos 
 
 “casa de silos” (1) 
silos separados (2) equipados com balanças 
carro “skip” (3) ou correia transportadora 
 tremonha de recebimento no topo do forno (4) 
cones (5), responsáveis pela selagem dos gases e pela 
distribuição circunferencial dos materiais na “goela” do 
forno. 
“uptakes” (6), o gás quente e sujo de pós deixa o forno 
e flui para cima 
 “downcommer” (7) 
válvulas “bleeders” (8) cuja função é permitir a 
liberação do gás e proteger o topo no caso de uma 
súbita elevação de pressão do gás 
coletor de pó (9) 
“venturi” (10), onde são removidas as partículas mais 
finas na forma de lama. 
desumidificador (11) cuja função é reduzir o teor de 
umidade do gás. 
regeneradores (12) 
chaminé (13). 
o gusa e a escória são separados por diferença de 
densidade no canal principal (14) 
carros torpedos (15) 
potes de escória (16) 
Produtos do Alto-Forno 
Ferro gusa : 
•4,5 % Carbono 
•0,4% Silício 
•0,3% Manganes 
•0,1 % Fósforo 
•0,03% Enxôfre 
Temperatura: 1400-1500 C 
 
Escória: SiO2-CaO-Al2O3 
Gás: CO-CO2-N2 
Regiões do AF 
 
Zonas Internas 
 
Reações 
Esquema de um regenerador de alto 
forno 
Têm por função aquecer o ar injetado através das 
ventaneiras para a combustão do coque. O 
regenerador recebe o ar na temperatura entre 150 
a 200 °C, chamado ar frio, e eleva esta 
temperatura para a faixa de 1000 a 1250 °C, 
dependendo de sua capacidade, passando a ser 
chamado de ar quente. 
Combustível utilizado: gás misto, mistura de 
gases provenientes do próprio alto forno ( 86 a 
94% de GAF ) e da coqueria ( 14 a 6% de 
GCO). 
 A câmara de combustão tem grande altura e 
diâmetro, para evitar o impacto da chama no 
domo e para alargar mais a chama. 
Dimensões típicas: 10,4 m diâmetro, 40 m altura. 
Pré-aquecimento de ar-regeneradores 
Regeneradores 
Arranjo das ventaneiras no interior do forno e detalhes 
internos. 
 
 
Injeção de carvão pulverizado através de uma lança inserida pela 
ventaneira. No detalhe a foto, através do visor da ventaneira, do 
carvão em combustão na ponta da lança 
 
Operação de abertura e fechamento do furo de 
gusa 
 
Drenagem do gusa para os carros torpedo 
 
O canhão de lama (1) e a perfuratriz (2) 
são os equipamentos utilizados para 
fechar e abrir o furo de gusa. O gusa e a 
escória, após deixarem o furo na forma 
de um jato de material líquido, são 
separados por diferença de densidade no 
canal principal (3). A escória é 
direcionada para um sistema de 
granulação através do canal deescória. 
O gusa após passar também pelo canal 
secundário (4), é direcionado para carros 
torpedos posicionados no piso inferior da 
casa de corrida, por meio da bica 
basculante (6), cuja função é permitir a 
troca dos carros torpedos, direcionando o 
fluxo de gusa para o carro ao lado. O 
enchimento do carro torpedo pode ser 
monitorado automaticamente através de 
um medidor de nível (5). 
Sistemas de refrigeração por Placas e por 
“Staves” 
 
Avaliação da Performance do Alto-
Forno 
• 1- Vida Útil Elevada: 
• 2 - Alta Produtividade 
• 3 - Baixo Consumo de Combustível: 
• 4 – Qualidade Adequada: 
 
Vida Útil Elevada 
• altíssimo investimento na construção ou 
reforma de um alto-forno 
• grande esforço para prolongar a vida útil 
média, ou campanha 
• atualmente na faixa de 12 a 18 anos 
produtividade 
• critério de avaliação: razão entre produção média diária e 
volume interno do alto-forno (toneladas/dia/m3 ) 
• produtividade média dos altos-fornos brasileiros de 1,80 a 
2,80 t/dia/m3 
 depende de 
• idade do forno 
• particularidades de cada usina 
• condições do mercado de aço 
• ocorrência de problemas operacionais 
• disponibilidade de oxigênio para enriquecimento do ar 
soprado 
• melhoria da permeabilidade da carga 
• redução do “fuel rate 
consumo de combustível 
• medido em kilogramas combustível consumido 
para a produção de uma tonelada de ferro gusa. 
• elevado custo de combustíveis, 
• carvão pulverizado injetado diretamente é de 
custo mais baixo 
• importante atingir altas taxas de injeção, 
mantendo a estabilidade operacional 
Qualidade Adequada 
• A qualidade do gusa deve estar dentro dos 
padrões exigidos pelo processo seguinte 
(Aciaria) 
• Isto implica no atendimento de requisitos de 
composição química e de temperatura cada vez 
mais restritivos 
• A escória também deve ter uma composição 
adequada à sua utilização mais freqüente, que é 
a indústria cimenteira 
Análises típicas do gusa e da escória de um alto-forno a 
coque 
FERRO-GUSA ( % em peso ) 
Ti Si S Mn P C Fe Outros 
0,03 0,38 0,026 0,69 0,091 4,82 93,86 0,1 
ESCÓRIA DE ALTO-FORNO ( % em peso ) 
SiO2 Al2O3 CaO MgO S MnO TiO2 FeO Outros 
34,65 11,59 42,8 6,81 1,22 0,83 0,53 0,35 1,22 
 
Processos de Redução Direta de 
Minério de Ferro 
 
Características do processo em Alto-Forno 
 
 
–alta escala de produção ( maior que 1.5 Mt/ano) 
–necessidade de aglomeração do minério 
–necessidade de coque metalúrgico 
–degradação do meio ambiente 
 
Processo Ideal de Redução 
• usar finos de minério diretamente 
• usar qualquer tipo de carvão 
• eliminar etapas do processamento 
• ser o mais contínuo possível 
• minimizar a dissolução de carbono e a incorporação de 
silício, permitindo eliminar etapas de refino 
• adaptável para diferentes matérias primas e diferentes 
níveis de produção, 
• baixo custo de capital 
• baixo custo operacional 
 
Processos de Redução Direta 
 
• a redução do minério de ferro a ferro metálico é efetuada sem 
que ocorra a fusão da carga do reator. 
• o produto metálico é obtido na fase sólida 
• é chamado de ferro-esponja (DRI, em inglês, iniciais de Direct 
Reduced Iron) 
• pode ser briquetado a quente, obtendo-se o briquete (HBI) 
• o ferro-esponja é usado em fornos elétricos para obtenção de 
aço. 
Processos de Redução Direta 
Processos a carvão em forno rotativo: SL/RN 
redução ocorre por sub-processos 
 
• a) formação de gás redutor: Credutor + CO2(g) = 2 CO 
 
• b) redução dos óxidos de ferro: FenOm + m CO = n Fe + m CO2 
 
• c) O ar admitido ao longo do forno queima o CO: CO + 1/2 O2 = CO2 
 
• Reação global: FenOm + m/2 C = n Fe + m/2 CO 
Forno rotativo-processo a carvão 
Processos a Gás Natural 
Gás Natural – basicamente metano, CH4 
Como redutor, precisa ser transformado em monóxido 
de carbono (CO) e hidrogênio (H2) 
• gás natural reage com CO2 e H2O através das reações: 
• CH4 + CO2 = 2 CO + 2 H2 
• CH4 + H2O = CO + 3 H2 
 
processos industriais que utilizam gás 
natural 
processos em reatores verticais, MIDREX e HyL 
III 
processos em leito fluidizado (FIOR, Finmet) 
Processo MIDREX 
• gás redutor: 95% de (CO+ H2) entre 860 e 900°C 
• ascende em contra-corrente com a carga (minério bitolado ou pelotas) 
• gás de topo 70% de (CO+H2), mais CO2 e H2O.Retorna ao reformador como gás reagente 
e/ou combustível. 
• ferro-esponja resfriado antes da descarga, carburado com 1,4% e 1,7 % de carbono, diminui a 
possibilidade de reoxidação e auxilia na fusão. 
 
• Grau de metalização do ferro-esponja: 
 
• Gm = [%Fe metálico / %Fe total] x 100 
 
• procura-se Gm>92% 
• tempos de residência usuais em torno de 6 horas. 
• produtividade dos processos de reatores verticais a gás varia de 9 a 12 t/m3/dia. 
 
 
 
Processo MIDREX 
Processo HyL 
Processo Energiron 
Ferro-esponja (DRI) 
Briquetes a quente (HBI) 
Processos em Leito Fluidizado 
• minério de ferro fino é reduzido em uma série de 
reatores de leito fluidizado 
 
Processos em Leito Fluidizado 
• fluxo de gases é tal que a perda de carga na camada iguala o peso 
da mesma, por unidade de área, causando a expansão da camada 
sólida (aumento de porosidade) e a flutuação das partículas n0o 
fluxo gasoso 
• permite um ótimo contato gás-sólido, e altas velocidades de reação, 
devido ao alto coeficiente de transporte de massa e a alta área da 
superfície de reação. 
• Este princípio foi aplicado ao processo FIOR, que foi recentemente 
aperfeiçoado, resultando no novo processo FINMET 
• os reatores de redução trabalham a pressões entre 10 e 12 bar 
 
Processos em Leito Fluidizado 
• o minério é pre-aquecido no primeiro reator 
pelo gás proveniente do reator precedente na 
série. Após um certo tempo de permanência, 
o minério parcialmente reduzido é transferido 
ao reator seguinte por linha de transporte 
• O minério é progressivamente reduzido e 
aquecido em cada reator subsequente até que 
o grau de metalização desejado (entre 91 e 
92%) seja alcançado. ë então descarregado e 
briquetado a quente. 
• O gás de processo é gerado pela reforma 
catalítica de gás natural com vapor d’água, e é 
aquecido a 830°C antes de entrar na série de 
reatores em direção oposta àquela do 
minério. 
• Após sair do sistema, o gás é lavado e 
resfriado antes de ser reciclado no processo. 
• . 
Processo COREX 
– Conceito: divisão do alto-forno em 
dois: um reator realiza a redução do 
minério de ferro a ferro metálico, que 
é carregado em reator que realiza a 
fusão; 
– energia gerada por queima de carvão 
no reator de fusão, gerando o gás 
redutor para o reator de redução. 
– equivale a dividir ao meio um alto-
forno, com a vantagem de evitar-se a 
formação de zona coesiva, pois não 
há a região de temperaturas 
intermediárias entre as de redução e 
de fusão. 
Processo COREX 
–Utiliza oxigênio puro ao invés de ar quente 
usado nos altos-fornos. 
–O gás produzido é constituído basicamente de 
CO e H2, deixa o reator entre 1000 e 1050°C, 
destruindo qualquer sub-produto indesejável da 
gaseificação do carvão. 
–Antes de entrar na cuba de redução, é resfriado 
a 800-850 °C, e despoeirado. 
–O gás de saída do forno de redução é resfriado 
e limpo, obtendo-se gás para venda ou utilização 
posterior. 
–o gás tem alto poder calorífico, e pode ser 
usado para geração de eletricidade, como gás 
redutor para produção de ferro-esponja ou para 
aquecimento em geral. 
 
Finex: Corex com redução por leito fluidizado 
Processos de Redução em Fase Líquida 
(fusão-redução, smelting-reduction, in-bath process) 
 
–minério de ferro adicionado por 
cima a reator contendo banho 
líquido de ferro com carbono 
dissolvido 
 
–São simultaneamente adicionados 
oxigênio gasoso e uma fonte de 
carbono (coque ou carvão) 
 
–alta produtividade: alta velocidade 
específica das reações de redução e 
criação de uma grande área de 
interfacede reação. 
Processos de Redução em Fase Líquida 
(fusão-redução) 
 
–ganga do minério, a cinza do 
carvão e óxidos de ferro formarão 
escória 
–o carbono dissolvido no banho 
ou do carvão reduz os óxidos de 
ferro dissolvidos na escória 
–gera grandes quantidades de 
monóxido de carbono 
– evolução gasosa através da 
escória faz com que esta forme 
um sistema espumante, com 
grande aumento de volume 
Fusão-redução 
Processo DIOS 
Direct Iron Ore Smelting 
Fusão-Redução: Hismelt 
High Intensity Smelting 
Processos de Auto-Redução 
–auto-redução: aglomerados nos quais o minério de ferro (ou resíduos 
contendo óxidos de ferro) é aglomerado conjuntamente com material 
carbonáceo (carvão vegetal, moinha de coque, carvão fóssil, biomassa, 
etc) que terá a função de redutor dos óxidos. 
–vantagens cinéticas significativas sobre a redução convencional por 
gases. 
–dificuldade de desenvolver processo que aproveite de maneira 
integral esta vantagem: aglomerados não podem ser queimados para 
fornecer resistência mecânica, pois acarretaria na combustão do 
material carbonáceo. 
–Ou o processo não exige mecanicamente dos aglomerados, ou este 
deve ter em sua composição um aglomerante hidráulico (cimento 
Portland, escória de alto-forno, etc) que forneça resistência a frio 
–mais promissores: processo Tecnored, desenvolvido no Brasil, e o 
processo Fastmet. 
 
Processo Tecnored 
–pelotas auto-redutoras aglomeradas a frio em 
forno de cuba semelhante a um forno cubilo 
modificado 
–combustível sólido carregado lateralmente 
–Ar quente pelas ventaneiras, queimando 
material carbonáceo e gerando gases quentes 
que fornecem o calor necessário para a 
redução dos óxidos de ferro pelo carbono 
–material líquido percorre a cama de material 
carbonoso, ganga forma escória e o metal, que 
absorve carbono na descida, é vazado de 
tempos em tempos como um ferro gusa. 
– altura da carga na cuba central entre 2 e 3 
m, pelota necessita certa resistência 
mecânica, muito inferior daquela requerida 
por um alto-forno. 
 
Processos de Soleira Rotativa 
Processo Fastmet 
•emprega forno de soleira rotativa para a 
redução de pelotas auto-redutoras 
• camadas de apenas 2 ou 3 pelotas sobre 
esteira 
•pelotas não sofrem solicitação mecânica, 
não necessitando ter alta resistência 
•a pelota não precisa de aglomerantes 
hidráulicos, que implicam em tempos de 
cura longos (7 a 28 dias) 
•A matéria prima (minério de ferro, 
redutor e aglomerante, necessário apenas 
para permitir o manuseio das pelotas) é 
misturada com água e carregada em disco 
ou tambor de pelotamento. 
 
Processos de Soleira Rotativa 
Processo Fastmet 
• pelotas cruas são imediatamente 
transferidas para secagem e em 
seguida carregadas no forno de 
soleira rotativa. 
• forno aquecido por queima de gás, 
ou carvão pulverizado, entre 1250 e 
1350 °C 
• reações muito rápidas, tempos de 
residência de 9 a 12 minutos 
• pelotas metalizadas são 
descarregadas a entre 900 e 1000°C. 
• pelotas podem ser submetidas a 
briquetagem a quente, briquetes de 
ferro (HBI, hot briquetted iron), ou 
transferidas quentes diretamente 
para forno de fusão, ou ainda 
resfriadas produzindo-se o ferro-
esponja. 
• Fastmet já é comercial 
Processos a soleira rotativa