Apuntes Siderurgia MIN238 2010 I Generalidades2

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Disciplina: MIN238 – 11
ENGENHARIA DE PROCESSOS
(Mineração)
I - Semestre de 2010
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas 
Departamento de Minas
ALTO FORNO
Alto forno
Um alto-forno é, um reator tipo 
chaminé (cuba), essencialmente, um 
enorme gasogénio em que, ocorre, 
simultaneamente, a redução de um 
minério e a formação de uma 
escória. O funcionamento é
contínuo.
Minério de ferro
Fundentes
Coque (CV)
Ar
Vapor de água
Gases secos
Vapor de água nos gases
Gusa
Poeiras
Escória
Alto forno
Um alto-forno é, um reator tipo 
chaminé (cuba), essencialmente, um 
enorme gasogénio em que, ocorre, 
simultaneamente, a redução de um 
minério e a formação de uma 
escória. O funcionamento é
contínuo.
Minério de ferro
Fundentes
Coque (CV)
Ar
Vapor de água
Gases secos
Vapor de água nos gases
Gusa
Poeiras
Escória
Siderurgia – Alto Forno
Estrutura do alto-forno:
1- Goela: topo do forno reforçado para manter os 
dispositivos de carregamento e distribuição da 
carga e receber os impactos destes.
2- Cuba: secção tronco cônica 
3- Ventre: região cilíndrica sobre a rampa 
(opcional).
4- Rampa: revestida de refratários e sistemas de 
resfriamento interno; é a zona de fusão dos 
materiais (gotejamento).
5- Cadinho: tem forma cilíndrica, revestida de 
refratários (grafita) recebe o metal fundido e a 
escória formada. 
6- Ventaneiras :aberturas nas paredes do forno, 
onde dispositivos de soprado injetam ar quente 
e/ou combustível (gás, carvão).
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Siderurgia – Alto Forno
Temperaturas no forno:
1- Goela: < 500 ºC
2- Cuba: entre 700 ºC a 1000 ºC (metade) 
3- Ventre: 1000 ºC e 1200 ºC; na região próxima 
aos sopradores a temperatura supera os 1500 
ºC.
4- Rampa: 1200ºC e 1400 ºC, pode chegar aos 
1800 ºC. Formação de sistema metal – escória –
coque.
5- Cadinho: zona de estrato metal-escória entre 
1500 – 1600 ºC. 
6- Ventaneiras : 500 ºC a 1000 ºC.
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Introdução à Siderurgia
Durante o restante do seu 
caminho pelo Alto-Forno, o 
gás ascendente suprirá
calor para as camadas de 
carga metálica 
descendentes, saindo no 
topo do forno ainda com 
temperaturas acima de 
100°C.
O Alto-Forno é um reator que 
utiliza o princípio de 
contracorrente, onde, gases em 
ascensão reagem e transferem 
calor para sólidos e líquidos 
descendentes.
Reator
O ar prèaquecido (torno 
1.000ºC) è soprado pelas 
ventaneiras.
Produz dióxido de carbono que 
reage com o carvão formando 
monóxido de carbono.
A umidade do ar, reage com o 
carvão, formando CO e H2
Reações endotérmicas que geram 
uma região de alta temperatura 
aprox. 1850ºC (raceway)
Reator
Siderurgia – Alto 
Forno –
Principais 
reações
~ 470°C: 2Fe 2O3 + 8CO = 4Fe + C + 7CO2
± 550°C: 3Fe 2O3 + C = Fe3O4 + CO
3Fe2O3 + CO = Fe3O4 + CO2
~ 620°C: Fe 3O4 + C = 3FeO + CO
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
620°C a 800°C: FeO + C = Fe + CO
FeO + CO = Fe + CO2
± 870°C: CO 2 + C = 2CO
900°C: H 2O + C = CO + H2 (água contida)
> 970°C: CaCO 3 = CaO + CO2
MgCO3 = MgO + CO2
> 1070°C: Fe 2O3 + 3C = 2Fe + 3CO
Fe2O4 + C = 3FeO + CO
FeO + 3C = Fe + CO
> 1200°C: MnO + C = Mn + CO
SiO2 + 2C = Si + 2CO
P2O5 + 5C = 2P + 5CO
> 1260°C: aglomeração de óxidos � escória
> 1350°C: fusão da carga (menos o coque)
~ 1550°C: O 2 + C = CO2
CO2 + C = 2CO
H2O + C = H2 + CO
~ 2000°C: FeS + CaO + C = Fe + CaS +CO 
Siderurgia – Alto 
Forno –
Principais 
reações 
(simplificada)
Entrada de ar nas ventaneiras, com temperaturas 
próximas a 1500°C: fornece combustível e calor.
O2 + C = CO2
CO2 + C = 2CO
H2O + C = H2 + CO
Redução do minério a ferro metálico
2Fe2O3 + 8CO = 4Fe + C + 7CO2
3Fe2O3 + C = Fe3O4 + CO
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + C = 3FeO + CO
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + C = Fe + CO
FeO + CO = Fe + CO2
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO
Fe2O4 + C = 3FeO + CO
FeO + 3C = Fe + CO
O CO2 de várias reações reage com carvão
CaCO3 = CaO + CO2
MgCO3 = MgO + CO2
CO2 + C = 2CO
água contida forma combustível
H2O + C = CO + H2
Siderurgia – Alto 
Forno –
Principais 
reações 
(simplificada)
Redução do silício, fósforo e manganês
A baixas temperaturas:
2MnO2 + C = 2MnO + CO2
A altas temperaturas
2MnO + C = 2Mn + CO2
SiO2 + 2C = Si + 2CO
P2O5 + 5C = 2P + 5CO
Praticamente todo o fósforo é
incorporado no ferro gusa
Escoriamento (aglomeração de óxidos)
CaO + SiO2 = CaSiO3 (escória)
Dessulfurização
FeS + CaO + C = Fe + CaS +CO 
Alto forno: Exemplo de balanço de materiais baseados em 100,0 Kg de 
gusa obtidos
Minério (212,70 Kg)
Fe2O3 54,93%
FeO 8,48%
CaO 9,58%
Mn3O4 4,97%
Al2O3 3,00%
MgO 1,83%
SiO2 4,92%
H2O 4,48%
CO2 7,81%
Carvão de madeira (110,0 Kg)
C 86,89%
O 3,15%
H 0,51%
H2O 7,00%
Cinzas 2,00%
Gusa (100,0 Kg)
C 3,12%
Si 1,52%
Mn 2,22%
Fe 93,14%
Fundente (13,9 Kg)
Fe2O3 3,90%
CaO 0,53%
Al2O3 3,00%
SiO2 78,38%
H2O 3,20%
Ar (455,20 Kg; 
15,79 mol)
CO 2 12,62%
CO 25,56%
CH4 0,69%
H2 1,34%
N2 59,79%
Escória (63,76 Kg)
FeO 6,00%
CaO 32,10%
MnO 10,90%
Al2O3 13,00%
MgO 6,10%
SiO2 28,40%
Cinzas 3,50%
Gases secos (617,2 Kg ; 20,77 moles)
Alto forno: Exemplo de balanço de materiais baseados em 1.000,0 Kg 
de gusa obtidos
Minério 
(1.700 Kg)
Carvão 
(500,0 Kg)
Gusa (1000,0 Kg)
Fundente 
Calcáreo CaCO3
(250,0 Kg)
Ar (2.000 Kg) Escória 
(entre 200 a 400 Kg)
Gases secos 
(entre 2.300 a 3.500 Kg)
A produção diária de um alto-forno (Coque) varia entre 5.000 a 10.000 ton.
SIDERURGIA
(matéria prima)
As matérias-primas básicas da indústria 
siderúrgica são as seguintes:
• Minério de ferro
• Combustível (Carvão, gás)
• Fundentes (principalmente calcário)
• Adições
• Materiais de geração interna (na usina)
Siderurgia – Matéria Prima
Siderurgia – Matéria Prima
Minério de Ferro
Carvão Mineral
Carvão Vegetal
Fundentes e Adições
Sucata de Aço
Ferro-Ligas
Industria Integrada
Minério de Ferro
Carvão Mineral, Vegetal
Fundentes e Adições 
Sucata de Aço
Ferro-Ligas
Industria Semi-Integrada
Sucata de Aço ou Ferro 
Esponja
Gusa sólido
Fundentes e Adições
Ferro-Ligas
SIDERURGIA
(matéria prima – minério de ferro)
É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele 
que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em 
quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, 
sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a 
indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles:
Magnetita (óxido ferroso-férrico) → Fe3O4 (72,4% Fe).
Hematita (óxido férrico) → Fe2O3 (69,5% Fe).
Limonita (óxido hidratado de ferro) → 2FeO3.3H2O (52,3% até 60,3% ).
Siderurgia – Minério de Ferro
Siderurgia – Minério de Ferro - Minerais
1. MAGNETITA: Fe3O4
Cor cinza escura a preta. Contém até 72,4% de Fe. Rochas ígneas, 
sedimentares e metamórficas.
2. HEMATITA: Fe2O3
Cor cinza brilhante e vermelho marrom. Contém até 69,5% de Fe.Constituinte 
da maioria dos minérios de ferro no Brasil, é de origem metamórfico.
3. LIMONITA: Fe2O3 . nH2O 
Cor amarela a marrom, contém entre 52,3% até 60,3% de Fe. É um óxido 
hidratado com misturas variadas de goetita (αHFe2) e lepidocrocita (ßFe2O3OH2). 
4. SIDERITA: FeCO3
Cor clara a cinza esverdeado. Carbonato de ferro, com 48,3% de Fe.
PIRITA: FeS2 (Marcassita)
Logo da ustulação na produção de ácido sulfúrico, transforma-se em óxido 
com até 45,0% de Fe.
ILMENITA : FeTiO3 Até 36,8% de Fe.
Outras substancias típicas nas jazidas:
Carbonatos, Sílica, Alumina, Argila, Enxofre, Fósforo, Manganês e Magnésio
BIF: rocha sedimentar ou metassedimentar química ou 
vulcanoquímica estratificada, 50% de Fe, camadas 
ritmicamente alternadas de óxidos, carbonatos ou 
silicatos de ferro.
Itabirito: formação ferrífera bandada (BIF) 
metamorfisada, 30 a 55% de Fe, níveis de hematita 
(±magnetita) e silicatos.
Itabirito duro (ID): compacto, 43,7% Fe
Itabirito brando (IB): bandado – friável, 54,1% Fe
Siderurgia – Minério de Ferro
Siderurgia – Minério de Ferro
Hematita Semibranda (HSB): minero bandado, 
hematita – martita, 66,7% Fe.
Hematita Branda (HB): hematita cinzento-
escuro, 66,3% Fe.
Hematita Dura (HD): minério compacto, 
constituído por especularita, com ou sem óxidos 
ferríferos, sem quartzo,66,2% Fe.
Hematita Semidura (HSD): minério bandado, 
especularita+martita – goethita+limonita, 65,9% 
Fe.
Canga de minério: trata-se do material limonítico (óxidos hidratados de ferro), 
com argila e pobre em fragmentos detríticos, entre 56,8% e 64,1% Fe, 
conforma comumente o capeamento das jazidas.
Siderurgia – Matéria Prima – Aspectos Gerais
O minério de ferro é composto por três partes a saber:
Útil → parte que contém o ferro
Ganga → impurezas sem valor direto comercial 
Estéril → rocha da jazida ou minério que não contém valor 
comercial (ou baixos teores de ferro)
Siderurgia – Minério de Ferro
MINÉRIO
GANGA
PRODUTO
ESTÈRIL
O minério de ferro pode ser classificado como:
Rico → 60 a 70% de Fe
Médio → 50 a 60% de Fe
Pobre → <50%
Siderurgia – Minério de Ferro
O minério de ferro para Alto-Forno (Blast - Furnace) deve 
apresentar as seguintes características:
Alto teor de ferro
Baixo teores de álcalis, fósforo e enxofre
Boa resistência mecânica
Redutibilidade
Granulometría adequada e mínimo de pó
Fósforo : 100% no gusa e alto consumidor de carvão 
Álcalis(Na2O e K2O) : escorifica formando cascão dentro do forno.
Enxofre e fósforo: fragilizam o aço
Operações mecânicas 
Lavra
Britagem
Moagem
Peneiramento (classificação pelo tamanho) 
Homogeneização
Classificação gravimétrica
Flotação
Lavagem
Calcinação
Concentração magnética
Classificação e concentração 
Aglomeração 
Briquetagem
Nodulização
Sinterização
Pelotização
Principais operações de beneficiamento empregadas na mineração de ferro.
Siderurgia – Minério de Ferro
O termo genérico “beneficiamento” compreende uma série de 
operações que têm como objetivo tornar o minério mais adequado 
para a utilização nos altos-fornos. 
Fluxograma de Usina de BeneficiamentoFluxograma de Usina de Beneficiamento
SIDERURGIA
(matéria prima – minério de ferro – produtos acabados)
Introdução à Siderurgia – Ferro (Fe)
a) Mais produzido e consumido no mundo.
b) Ferro doce: Fe praticamente puro.
c) Ferro esponja (DRI): > 92% Fe
c) Ferro gusa: em torno de 4% de C + outras impurezas.
d) Aço: liga ferro-carbono
e) Aço-cromo: aço inoxidável
f) Lata: Fe revestido com Sn (protege contra a ferrugem)
g) Ferro galvanizado: Fe revestido com Zn (protege contra 
ferrugem) 
Classificação dos aços
• Formas comerciais do aço
–Para os diferentes usos industriais, o aço é
encontrado no comércio na forma de 
vergalhões, perfilados, chapas, tubos e fios.
–Vergalhões - são barras laminadas em diversos 
perfis, sem tratamento posterior à laminação.
• Formas comerciais do aço
–Perfilados - São vergalhões laminados em 
perfis especiais tais como: L (cantoneira), U, T, 
I (duplo T), Z.
–Chapas - São laminados planos, encontradas 
no comércio nos seguintes tipos:
• Chapas pretas - sem acabamento após a 
laminação, sendo muito utilizadas nas indústrias.
• Chapas galvanizadas - recebem após a 
laminação uma fina camada de zinco. São 
usadas em locais sujeitos a umidade, tais como 
calhas e condutores etc.
• Chapas estanhadas - também conhecidas como 
Folhas de Flandres ou latas. São revestidas com 
uma fina camada de estanho. São usadas 
principalmente na fabricação de latas de 
conservas devido sua resistência à umidade e 
corrosão.
• Tubos - Dois tipos de tubos são 
encontrados no comércio:
–com costura - Obtidos por meio de curvatura de 
uma chapa. Usados em tubulações de baixa 
pressão, eletrodutos etc.
–sem costura - Obtidos por perfuração a quente. 
São usados em tubulações de alta pressão.
–Os tubos podem ser pretos ou galvanizados.