Engenharia de Processos - Introdução à Siderurgia

Disciplina: MIN238 – 11ENGENHARIA DE PROCESSOS

(Mineração)

Prof. Miguel G. P. Sánchez - I - Semestre de 2010

Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas

Departamento de Minas

INTRODUÇÃO À SIDERURGIA

1 Definição: Siderurgia é a parte da tecnologia metalúrgica que engloba os processos de obtenção de produtos à base de ferro (gusa, ferro esponja, aços comuns e especiais), na forma de graneis (ferro-esponja), lingotes (gusa), laminados planos, tubulares e perfilados (aços comuns e especiais); com características de qualidade requeridos pelo mercado consumidor:Industria automobilística, eletro-domésticos, construção em geral, química, mecânica, petroquímica e fundições. (entre outros)

Introdução à Siderurgia

Metalurgia é o arte e ciência de obter metais dos minerais (metalurgia extrativa ) e adaptar-lhes às necessidades do ser humano (metalurgia física ou metalurgia ).

Homem primitivo obteve ferro dos meteoritos

< 2000 AC, sugerem que o ferro foi empregado na China e Índia

1700 AC os hititas utilizaram buracos na terra para aquecer carvão vegetal e minério de ferro para obter uma massa pastosa (reduzida ou ferro esponja), a qual era batida para desprender as impurezas e escórias e logo forjada.

Entre 1100 AC e 500 AC o conhecimento se estendeu e foi evoluindo com as contribuições de cada povo (Egipto, Grécia, Áustria, Itália, França, Espanha, .....)

No século XIV, combinam-se as tecnologias de altos fornos + alternabilidade de camadas de carvão e minério + ar insuflado, obteve-se um metal líquido (ferro gusa), este ferro resulto quebradiço, mas podia-se vazar em lingotes e logo refinado.

XV, se utiliza a força motriz da água

1785, utilização do coque

1856, Bessener / 1878 Thomas ...........


MeO + CO = Me +CO2

C + CO2 = 2CO

ee--

REDUÇÃOMe+n

Metal no Minério

Me0

Metal na forma

SimplesCorrosãoCorrosão

ee--

Purificação do metal

Conformação

Extração da Mina

Beneficiamento do minério

Redução

(Minério + agente redutor)(Carvão, óleo, gás)


Fornos primitivos utilizados na produção de ferro

Fabricação de forno de secção quadrada o circular (0,5 a 0,90m

e entre 4 a 5m de altura).

Introdução à Siderurgia (pré-alto-forno)

Pré-aquecimento com carvão vegetal (CV)

Carga de minério e escória de ferro

Adesão de C.V. + contínuo soprado de ar

Nível de ferro

Destruição do forno ou sangria do ferro

Separação a martelo da escória e ferro esponja

Ferro Gusa

Laminação

Balística, grades

Carburização do ferro a temperaturas entre 1000 e 1300 °C:

3Fe + 2 CO = Fe3C + CO2

Temperatura de fusão da fundição: 1150 a 1350°C

Temperatura do forno: 1300 a 1400°C

a) Fe3O4 + ganga � separação manual da ganga


b) Fe3O4 concentrado + carvão vegetal � carregados em forno de argila

c) Combustão incompleta do carvão � redução dos óxidos � ferro metálico

d) Precipitação de uma escória rica em FeO (60%) e SiO2 � retirada e reaproveitada

e) Manutenção pelo menos 24 horas a temperaturas entre 1100 e 1150°C

f) Ruptura das paredes de argila � obtenção de massa esponjosa de ferro e impurezas (ganga + restos de carvão)

g) Trituração (martelo) � Separação manual do carvão e ganga �moagem fina (almofariz) � separação de areia, escória e carvão

h) Ferro esponja é colocado em um crisol (fechado para evitar oxidação) �1000 °C � bloco de ferro � forjados � recosido ao ar � forjado e temple � produtos

Obtenção de fundição em fornos de maior altura (3, 5 e 7m)

1.180 a 1.205Escória silicatadas de ferro

1.371FeO

1.583 a 1.597Fe2O3 ; Fe3O4

3,50

1,00

0,10

% aprox. de carbono

1.465Aço

1.539Ferro

Temperatura de fusão (°C)

Material

1.230Ferro Gusa (Arrabio, Fundição, Pig Iron)

Introdução à Siderurgia (primitivo alto forno)

< carga de carvão< altura de carga

Alta temperaturaRedução do minério

> Absorção de carbono

Ferro esponja 5 a 50Kg, < CFundição carburada

Ferro Gusa300 a 500Kg,

> C

Redução direta

> carga de carvão> altura de carga

> soprado

Refino em fornos baixos

< C

Introdução à SiderurgiaObtenção de ferro em dois etapas:

1. Fundição em alto forno.

Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2 (redução do minério e obtenção do ferro)

3Fe + 2 CO = Fe3C + CO2 (Carburização do ferro e fundição)

2. Obtenção de ferro em estado pastoso por afino oxidan te da fundição em fornos baixos de afino. A oxidação é produzida pelo oxigênio do ar e do FeO da escória.

C + O2 = CO2 (oxidação do carbono da fundição pelo oxigênio do ar)

C + FeO = CO + Fe (Oxidação do carbono da fundição pelo oxido de ferro da escória)

Nos fornos baixos, a temperatura alcançava > 1.400°C onde a fundição gotejava, escoando às áreas de maior temperatura (janelas de soprado) � oxidando-se a fundição � diminuição do “C” � massa metálica pastosa.

Nos procedimentos de redução-direta, o ferro mantinha-se durante todo o processo na forma pastosa (t < 1539°C)


Obtenção de ferro durante afino

1. Em seqüência de redução: Si �� Mn �� Fe

2. Mas por abundancia:

2 Fe + O2 = 2 FeO (desde o inicio)

C + FeO = CO + Fe

Si + 2 FeO = SiO 2 + 2 Fe

Mn + FeO = MnO + Fe

3. A Si, alongava o período de formação da fundição e parte do Fe passava à escória: fundição branca (<0,80% Si) e fundi ção cinza (aprox. 3% Si).

4. O Manganês produzia escórias pouco reativas.


Ferro Gusa (ferro de primeira fusão)

Atualmente corresponde à maior parte do ferro empregado na produção de aço.

Obtido como primeira fusão da redução de óxido de ferro (minério, sinter e/ou pellets) em alto-forno.

Contem em torno de 4% de carbono “C” sob forma de cime ntita (Fe 3C) Possui como principais impurezas o silício (0,3 a 2%) , o enxofre (0,01 a 1%), o fósforo (0,05 a 2%) e o manganês (0,5 a 2%).

A principal característica física é ser duro, porém com baixa resistência mecânica com poucas aplicações onde não se precise muito esforço mecânico.

Coque + Fundentes

Escória de resíduo

Escória de resíduo

Minério de Ferro

Beneficiamento

Alto teor Baixo teor

finosGraúdos(lump)

Sinterização, Pelotização

Rejeitos

Redução em Alto Forno

Aço S-M básico

Conduto de pó

Fum

aça

RefinamentoForno Siemens – Martin(open hearth furnace)

Refinamento em Conversora oxigeno soprado (LD) ou

Bessemer

Sucata

Aço LD ou Bessemer

GUSAGUSA

Fluxograma de uma Usina Integrada

Sid

erur

gia

Sid

erur

gia

--P

roce

ssos

Pro

cess

os


A Industria Siderúrgica esta compostas por três tipos de empresas produtoras de aço:

- Usinas Integradas: operam todas as fases do processo –preparação, redução, refino e conformação.

- Semi-integradas: processam sucata, gusa ou ferro-esponja, nas fases de refino e conformação.

- Não-integradas: operam na fase de redução

Preparação Redução Refino Conformação


INDUSTRIA SIDERURGICA

INTEGRADA SEMI – INTEGRADA

Minério

Redução

Aço liquido

Moldagem

Conformação

Redução

Aço liquido

Moldagem

Conformação

Processos de redução de minério de ferro

Processos de conforma ção mecânica

Usina Integrada a Coque - Fluxograma Simplificado

FerroGusa

Minério de Ferro

Granulado AF

E / OU

SINTERIZAÇÃO

SinterSinter Feed

Pelota AF

E / OU

Carvão

COQUERIA

Coque

Fundente

PLACAS. Bobinas. Tubos c/ Costura. Chapas

TARUGOS. BARRAS. FIO MÁQUINA. VERGALHÕES

BLOCOS. PERFIS ESTRUTURAIS. TRILHOS E TALHAS

ALTOFORNO LINGOTAMENTO

Aço Líquido

CONVERSOR

LAMINAÇÃO

Usina Integrada Redução Direta - Fluxograma Simplifi cado

Minério de Ferro

Pelota RD

E / OU

Granulado RD

FerroEsponja

Sucata

PLACAS

. BOBINAS

. TUBOS C/ COSTURA

. CHAPAS

TARUGOS

. BARRAS

. FIO MÁQUINA , VERGALHÕES

BLOCOS

. PERFIS ESTRUTURAIS

. TRILHOS E TALHAS

Gás Natural

REFORMADOR

Gás Redutor

REDUÇÃODIRETA FORNO

ELÉTRICO

Aço Líquido

LINGOTAMENTO

LAMINAÇÃO

Tipos básicos de fornos:

Fornos de cubaXVFornos de potesVI

Fornos de andaresXIVFornos de galeriaV

Fornos rotativosXIIIFornos de muflaIV

Fornos de fusão e concentraçãoXVICaldeiras de vaporVIII

Fornos de retortas

Convertidores

Fornos rotativos

Forno de cuba

Fornos de tanqueXII

Fornos de reverberoIXI

CHAMA DIRETACARGA MISTA

Fornos de câmaraXIIII

Fornos de galeriaXIIRECIPIENTE FECHADO

VII CALDEIRA ABERTA


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