Processos extrativos e siderúrgicos

8/6/2019 Processos extrativos e siderrgicos

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1. Processos extrativos e siderrgicos1.1 Introduo

A crosta terrestre possui aproximadamente 20km de espessura e contmcerca de 50% em massa de oxignio e cerca de 25% de silcio, na forma deslica e silicatos. Dos 25% restantes, cerca de 16% so constitudos deelementos metlicos, sendo o alumnio e o ferro os mais abundantes,conforme pode ser visualizado na Figura 1-1. A maior parte dos elementosmetlicos encontram-se na natureza sob a forma de minrios, combinadosao oxignio como xidos ou ao enxofre como sulfetos, conformeobservado na Tabela 1-1. A grande abundncia e facilidade de reduo dominrio de ferro aliadas versatilidade das ligas ferrosas tornaram os aos eferros fundidos os principais objetos de estudo dos metalurgistas ao longoda histria. Existem registros histricos datando de mais de 4000 anos a.C.

que confirmam a utilizao do ferro para a confeco de artefatos. Emrelao ao alumnio, apesar de mais abundante, a sua histria mais recente,tendo incio por volta de meados do sculo XIX, uma vez que sua obtenodepende essencialmente de processos de reduo que se utilizam largamentede eletricidade. A primeira pea fundida de alumnio que se tem notcia datada de 1856, entretanto, o grande impulso dado produo de ligas dealumnio para aplicaes estruturais se deu somente aps a 1 GuerraMundial.

Mg

(12,9%)

Fe

(32,1%)

Al

(51,4%)

Ti

(3,2%)Outros

(0,5%)

Figura 1-1 Proporo dos metais na crosta terrestre (em peso %).

As maiores jazidas de minrios de ferro do mundo encontram-se na regioabrangida pela ex-Unio Sovitica, seguida pelo Brasil e ndia. Emparticular, o Brasil possui as maiores jazidas e a melhor qualidade de


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minrio de ferro do hemisfrio ocidental, na forma de hematita. As maioresjazidas brasileiras encontram-se distribudas, principalmente, no estado deMinas Gerais e na Serra dos Carajs, no Par, a qual considerada a maiorprovncia de minrio de ferro do planeta. Destaca-se neste cenrio, aCompanhia Vale do Rio Doce como sendo a maior produtora mundial deminrio de ferro. Quanto ao alumnio, o Brasil possui, at o presentemomento, a terceira maior reserva de bauxita do mundo, sendo que o Par

detm cerca de 75% das reservas nacionais. Vale ressaltar ainda que o Brasilapresenta as maiores reservas mundiais conhecidas de titnio e nibio,localizadas, respectivamente, em Gois e na regio de Arax, em Minas Gerais.

Tabela 1-1 Formas minerais de alguns metais.

ElementoAlgumas das

principaisformas minerais

Al Bauxita (Al2O3.H2O)

Fe Hematita (Fe2O3)

Mg Magnesita (MnO)

Ti Anatsio (TiO2)

Mn Pirolusita (MnO2)

Zirconita (ZrSiO4)Zr

Baddeleyta (ZrO2)

V Vanadita (Pb5Cl(VO4)3)

Cr Cromita (FeCr2O4)

Ni Milerita (FeNi9S8)

Zn Blenda (ZnS)

Calcocita (Cu2S)Cu

Cuprita (Cu2O)

Co Esmaltita (CoAs2)

Nb Colombita (Nb2O5)

Pb Galena (PbS)

Sn Cassiterita (SnO2)

Mo Molibdenita (MoS)W Scheelita (CaWO4)

Bi Bismutinita (Bi2S3)

Apesar de apresentar uma quantidade invejvel de reservas e destacadaproduo de minrios, o Brasil, ao lado de outros pases emdesenvolvimento, ricos em minerais, no consegue agregar valores s suasmatrias-primas na mesma proporo que os pases ricos. Como exemplo,pode-se citar o Japo que apesar de no possuir reservas de minrio de ferroproduz mais de 100 milhes de toneladas de ao por ano, ou seja, cerca detrs vezes a produo brasileira. A situao torna-se ainda mais complexaconsiderando-se um cenrio de economia mundial globalizada, onde aes

individuais de pases ricos possuem forte impacto no mercado mundial,especialmente sobre pases em desenvolvimento, como o Brasil. Destaca-se,


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como exemplo, a forte atitude protecionista dos Estados Unidos em relaoao ao brasileiro, o qual sobretaxado. Isto dificulta a entrada do produtonacional no gigantesco mercado consumidor norte-americano, obrigando assiderrgicas brasileiras a reduzir o preo de venda e buscar espao emoutros mercados para comercializar seus produtos excedentes. A princpio,este protecionismo possui um aspecto negativo, entretanto, tal situaolevar inevitvel necessidade de se incorporar tecnologia matria-prima,

produzindo produtos mais baratos e de maior qualidade e, portanto, maiscompetitivos. Entretanto, a incorporao de tecnologia no deve serestringir somente ao aprimoramento de processos e produtos extrativosbsicos. A transformao da matria-prima obtida em componentes ouequipamentos de alto valor especfico fundamental para fortalecer ossetores secundrio e tercirio da economia.

1.2 Extrativismo1.2.1 Beneficiamento do minrioO minrio, para se tornar uma matria-prima adequada para a extrao doelemento desejado, precisa sofrer um processo de beneficiamento queconsiste em adequar sua morfologia e tamanho e separar impurezas e/ouminrios secundrios para aumentar a eficincia energtica do processo dereduo. Alm disto, o beneficiamento tem o intuito de reduzir os custos detransporte para as instalaes de reduo e refino de minrios,especialmente para aquelas situadas em pases no-produtores, tal como o

Japo no caso do minrio de ferro. Basicamente, o beneficiamento pode serdividido da seguinte forma: cominuio, classificao e enriquecimento dominrio. Em alguns casos, dependendo do tipo de minrio, operaeschamadas de pr-extrativas, tais como, secagem, calcinao e pelotizao,podem ser necessrias antes do processo de reduo. A Figura 1-2 mostraum fluxograma do beneficiamento de minrios. Poucas usinas debeneficiamento possuem todas as operaes instaladas, mas todas seutilizam de pelo menos algumas etapas no processo de separao dominrio primrio do minrio bruto.

Cominuio

A etapa de cominuio consiste essencialmente em fragmentar o minrio demodo a deix-lo com tamanho e forma ideais que permitam e facilitem seuuso. Esta fase do beneficiamento pode ser sub-dividida em uma seqnciade quatro operaes: britagem primria, britagem secundria, moagem oubritagem terciria e pulverizao.

A britagem primria a primeira etapa de fragmentao do minrio,utilizando-se de britadores de mandbula ou giratrios e que propiciam umareduo em tamanho de cerca de 3:1. A seguir, em britadores cnicos e de


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rolos, ocorre a britagem secundria. A moagem, ou britagem terciria, realizada em moinhos de martelos ou de barras (Figura 1-3a). Na verdade, onmero de operaes de britagem necessrias para reduzir o minrio a umtamanho adequado depende do tipo de minrio. Minrios duros, tais comode ouro, ferro, molibdnio e alguns tipos de cobre necessitam at a britagemterciria. Por outro lado, minrios macios, tais como bauxita, de titnio,zircnia e alguns de urnio requerem pouca ou nenhuma britagem. A

reduo de tamanho de partculas pode ser continuada, se houver interesse,atravs do processo conhecido por pulverizao, que se utiliza de moinhosde bolas (Figura 1-3b). Dependendo do tipo de minrio, a pulverizaopode ocorrer a seco ou a mido, pela formao de uma pasta aquosa deminrio.

Figura 1-2 Fluxograma do beneficiamento de minrios metlicos.

Figura 1-3 Representao esquemtica dos moinhos de: (a) barras e (b) bolas.

(a) (b)

Extrao mineral

Britagem primria

Britagem secundria

Britagem terciria

Pulverizao

Secagem/calcinao

Pelotizao

Armazenamento

Classificao

Enriquecimento

Transporte

Processos decominuio oufragmentao

Separao por tamanho

Separao por composio

Processos pr-extrativos


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SADE E MEIO AMBIENTE

Durante todo o processo de beneficiamento, ocorre a formao de p deminrio, o qual pode provocar problemas ambientais ou ser extremamenteprejudicial sade se inalado por longos perodos de tempo. Na medida dopossvel, a utilizao de etapas de processamento a mido elimina esteproblema, entretanto, para alguns minrios, como no caso do minrio de

ferro, o beneficiamento deve ocorrer a seco e precaues para minimizar agerao e disperso do p devem ser tomadas.

Classificao

O processo de cominuio resulta em uma distribuio de partculas quedevem ser separadas ou classificadas de acordo com o seu tamanho. Parapartculas acima de 1mm de dimetro, utilizam-se peneiras rotativas, Figura1-4. Abaixo deste tamanho, utilizam-se, normalmente, processos desedimentao que fazem uso de ciclones de ar ou de gua como meio fluidopara que ocorra a decantao.

Figura 1-4 Representao esquemtica de peneira rotativa.

Enriquecimento

Uma vez cumpridas as etapas de fragmentao e de separao portamanhos, necessrio enriquecer o minrio, ou seja, aumentar a proporoda parte que interessa para o processo de extrao do metal, eliminando-seeventuais impurezas, chamadas de gangas, e separando o minriosecundrio. Esta etapa de concentrao pode ocorrer por intermdio deprocessos fsicos ou qumicos, normalmente a mido, para evitar a emissode ps. Dentre eles podemos citar as operaes de flotao, separaogravitacional, espessamento e filtragem. Entretanto, para alguns minrios deferro e de titnio, esta etapa deve ocorrer a seco por intermdio de mtodosmagnticos (no caso da magnetita), eletrostticos ou por limpeza gasosa.

Secagem e Calcinao

Os processos de secagem e calcinao consistem no aquecimento dominrio concentrado, normalmente em fornos rotativos, com a finalidade


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de eliminar substncias que podem afetar a eficincia e uniformidade doprocesso de reduo. A secagem aplicada em casos de minrios contendograndes quantidades de umidade. A calcinao tem o intuito de removerCO2 e enxofre, atravs da formao de SO2. O processo de remoo deenxofre, citado acima, tambm conhecido por ustulao.

Aglomerao

Os processos j citados, intencionalmente ou no, resultam na gerao deps. Citando o caso particular do minrio de ferro, este p no pode serintroduzido diretamente no alto-forno, sob o risco de obstruir o fluxo de arascendente entre as partculas do minrio, afetando a reao de reduo.Normalmente, este problema solucionado atravs do processo deaglomerao, o qual pode ser dividido em dois tipos bsicos: sinterizao epelotizao.Na sinterizao, o p misturado com uma pequena parcela de coque que posteriormente queimado sob um fluxo de ar controlado. O calor geradosinteriza, isto , une as partculas de p, formando uma estrutura porosa ede morfologia mais adequada ao manuseio. No processo de pelotizao, um

aglomerante e gua so adicionados ao p de minrio, para a formao deesferas aglomeradas de tamanho adequado para o processo de reduo. Emseguida, p de carvo adicionado ao aglomerado, o qual posteriormentequeimado para aumentar a rigidez da pelota.

1.2.2 Extrao e refino dos metaisO processo de extrao do metal, a partir do minrio beneficiado, consiste,essencialmente, em uma reao de reduo, onde o elemento metlico quese encontra na forma de um on positivo ou ction ganha eltrons e seneutraliza, formando o metal propriamente dito. Esta reao de reduopode ser representada da seguinte forma:

0

MexMx

+

+

eq. Erro!

Nenhum texto com o estilo especificado foi encontrado no documento.-1

A forma como o ction metlico recebe estes eltrons no processo dereduo pode ocorrer de duas maneiras diferentes: na ausncia ou napresena de corrente eltrica. Na primeira, o processo de reduo ocorrepor meio de reaes qumicas de simples troca, em meio aquoso, temperatura ambiente ou a altas temperaturas. No segundo caso, a correnteeltrica conduzida atravs de uma soluo aquosa do minrio (processoeletroltico aquoso) ou atravs de um eletrlito inico fundido, tal como umsal, no qual o minrio foi dissolvido (processo eletroltico gneo). A Figura

1-5 mostra um fluxograma dos processos de reduo.


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Figura 1-5 Fluxograma dos processos de reduo para a extrao de metais.

Reao qumica de simples troca

Na reao qumica de simples troca, o ction metlico simplesmentesubstitudo pelo elemento redutor, liberando o metal.

MBABMA ++ eq. Erro!


Estas reaes ocorrem temperatura ambiente e geralmente em umasoluo aquosa cida ou bsica e por isso o processo tambm chamado dehidrometalrgico. Um exemplo deste tipo de reao o da extrao docobre a partir do sulfato cuproso:

CuaqFeSOFeaqCuSO ++ )()(44

eq. Erro!


A tcnica de hidrometalurgia empregada, preferencialmente, em minrioscontendo baixas concentraes do metal de interesse ou na recuperao de

metais a partir de sub-produtos metalrgicos. Pode-se citar como exemplo arecuperao de alumnio a partir da escria proveniente da produo deferro-nibio. Nos ltimos anos, com a diminuio progressiva das reservasmundiais de alto teor, a hidrometalurgia vem recebendo uma ateno maiorpor parte dos pesquisadores. Destaca-se neste contexto o processo bio-hidrometalrgico ou de lixiviao bacteriana, que consiste na utilizao demicroorganismos (bactrias, em geral) capazes de promover a extrao demetais a partir de sulfetos metlicos, como a lixiviao da covelita (CuS)pela bactria Thiobacillus Ferrooxidans.

Reao qumica a alta temperatura

Os processos de reduo de minrio que ocorrem por meio de reaesqumicas a altas temperaturas tambm so chamados de processos

Reduo do minrio

Reaes de troca(sem corrente eltrica)

Reaes eletrolticas(com corrente eltrica)

Hidrometalurgia

TambMeio aquoso

Meio cido ou bsico

Pirometalurgia

Altas TA seco

Troca de calor

Eletrlise aquosa

TambMeio aquoso

Eletrlise gnea

Altas TEletrlito fundido


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pirometalrgicos. So reaes de troca, porm a alta temperatura se faznecessria para facilitar o rompimento das ligaes qumicas do minrio.Normalmente, estas reaes so acompanhadas por uma troca significativade calor, dada por uma variao de entalpia, H. As reaes so chamadasde endotrmicas quando absorvem calor (H>0) e de exotrmicas quandoliberam calor (H


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)()(2

aqAaqMMAOH +

+ Dissociao inica do minrio eq. Erro!


0

)( MeaqM ++

Reao catdica ou de reduo eq. Erro!


Como exemplo de reduo eletroltica em meio aquoso, pode-se citar as

reaes de formao do cobre metlico a partir do sulfato cuproso (CuSO4):

)()(2

4

2

4

2

aqSOaqCuCuSOOH +

+ Dissociao inica eq. Erro!


)()(2 aqOHaqHOH+

+ Ionizao da gua eq. Erro!


++ eOOHOH 2212 22 Reao andica eq. Erro!


CueaqCu ++

2)(2

Reao catdica eq. Erro!


Processo eletroltico gneo

Metais altamente reativos, tais como o alumnio, no podem ser obtidos apartir de processos eletrolticos em meio aquoso. Sais fundidos,especialmente os de cloretos e fluoretos, so usados como eletrlitos. Osmetais de baixo ponto de fuso (Al, Mg, Ca e outros) so os mais adequadospara o processo de extrao eletroltica gnea, uma vez que podem sersifonados a partir do banho lquido metlico que se forma no fundo da cubaeletroltica, junto ao ctodo (plo negativo), conforme pode ser vistoesquematicamente na Figura 1-6.

Figura 1-6 Representao esquemtica de uma cuba eletroltica.

Base de grafita

Eletrodos de grafita

+ + + + + + +

-

--

---- -

Crosta deeletrlitoslido

Metal lquido


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O exemplo mais marcante da produo de um metal a partir da eletrlisegnea o do alumnio. O processo inicia-se com a obteno de alumina pura(Al2O3 ) a partir do minrio de alumnio ou bauxita (Al2O3.H2O), em umprocesso conhecido por processo Bayer. A bauxita , inicialmente,dissolvida em soda custica a quente, formando um hidrxido de alumnio.Posteriormente, as impurezas so eliminadas por filtrao e o hidrxido dealumnio precipitado, lavado e calcinado a 1100oC, formando a alumina,

com cerca de 99,4% de pureza. Em seguida, ocorre a eletrlise gnea daalumina em criolita (Na3AlF6 ) fundida a cerca de 950 C, em um fornoeltrico de cuba, Figura 1-7, com nodos de carbono que se queimam naoxidao e devem ser constantemente repostos. A oxidao do carbono importante tanto para o aquecimento da cuba quanto para a termodinmicado processo de reduo. O alumnio recolhido periodicamente do fundoda cuba por sifes e possui um grau de pureza em torno de 99,8%.

Figura 1-7 Exemplo de cuba eletroltica em operao para a produo de alumnio.

SADE E MEIO AMBIENTEDurante o processo de obteno do alumnio, ocorre a liberao de vriostipos de gases, principalmente CO2 e gases contendo fluoreto, ambosnocivos sade. Normalmente, estaes de tratamento de gasesencarregam-se de recuperar o fluoreto, que retorna cadeia produtiva, e deseparar o CO2, que dever ser utilizado em outros fins industriais.Outro ponto de destaque o altssimo consumo de energia na produo dealumnio. Para produzir apenas 1kg de alumnio puro so necessrios cercade 12 a 15kWh de energia eltrica. Isto corresponde ao consumo de 4chuveiros residenciais ligados por uma hora. Normalmente, as empresasprodutoras de alumnio primrio esto situadas prximas a usinas geradoras

de energia. A reciclagem do alumnio consome cerca de 20 vezes menosenergia e, portanto, possui um papel vital na preservao do meio ambiente,evitando ou reduzindo o ritmo de necessidade de construo de novas


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usinas de energia, as quais tm um forte impacto ambiental nas regies queas cercam.

1.3 Processos siderrgicosAo conjunto de processos pirometalrgicos usados na cadeia de produo

de aos, ferros fundidos e ferro-ligas, d-se o nome de siderurgia. A Figura1-8 mostra um fluxograma simplificado do processo siderrgico.

Figura 1-8 Sntese dos processos siderrgicos.

Conforme visto anteriormente, o primeiro processo siderrgico obeneficiamento do minrio de ferro. A seguir, o minrio reduzido pordiversos meios, resultando em ferro bruto (gusa ou esponja) e ferro-ligas.Na aciaria, o ferro gusa refinado no estado lquido atravs de processos deoxidao, com a finalidade de diminuir a concentrao de certos elementos,como, por exemplo, o carbono, e a ele so adicionadas quantidades

variveis de elementos de liga e sucatas ferrosas. Aps o ajuste dacomposio qumica, os lingotes so vazados para, em seguida, serem

Ferro gusa ou esponjaFerro-ligas

Aciaria

Laminadosde ao

Longos Planos Semi-acabados

Fundio

Ao Ferro

Peas fundidas

Refino Carga metlicaLingotamento

Laminao

Moldagem

Utilizao

Sucata

Elementos

de liga

Beneficiamento

Forjamento

Forjadosde ao

Reduo


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trabalhados mecanicamente por processos de laminao ou forjamento. Osprodutos obtidos por laminao so classificados em laminados longos,planos e semi-acabados.Na fundio, a carga metlica para a produo de ferros fundidos composta, normalmente, por ferro gusa, sucatas e elementos de liga. J paraa fabricao de aos, a carga metlica, geralmente, consiste em sucata de aoe elementos de liga. O metal fundido , ento, vazado em moldes com

geometrias diversas.Nem todas as etapas do processo so executadas pelas siderrgicas.

Algumas destas se especializam em produzir somente o ferro gusa e ferro-ligas e comercializ-los para aciarias e fundies. Outras seguem adiante nacadeia produtiva at a produo de laminados e/ou forjados. J o processosiderrgico chamado de fundio, geralmente, no ocorre dentro da plantade usinas siderrgicas. Esta etapa realizada em empresas especializadas naproduo de peas de ferro e ao com geometrias prximas das dimensesfinais. Devido sua grande importncia e complexidade, o processo defundio ser descrito em detalhes no captulo 5, que trata dos processos defabricao de materiais metlicos.

1.3.1 Processos de reduo de minrio de ferroAps a etapa de beneficiamento, o minrio de ferro pode sofrer diversostipos de processos de reduo que podem transform-lo em ferro gusa ouferro-esponja. O ferro gusa corresponde a cerca de 90% da produomundial de ferro bruto e sua obteno pode ocorrer de duas maneirasdistintas: em alto-forno ou em forno eltrico a arco. O ferro esponja,diferentemente do ferro gusa, que obtido no estado lquido, produzidodiretamente no estado slido pela passagem de gases redutores a altatemperatura por entre as partculas de minrio. Os trs principais processoscapazes de produzir ferro esponja so: Wiberg-Sdefors, Hojalata y Lminae Ferro-H. A Figura 1-9 apresenta um fluxograma contendo todos os

processos acima mencionados e que sero descritos com maiores detalhes aseguir.

Produo de ferro gusa em alto-forno

Uma vez beneficiado na forma de pelotas sinterizadas, o minrio de ferro carregado pela parte de cima do alto-forno juntamente com um fundente ecoque, como esquematizado pela Figura 1-10. O fundente, geralmente base de calcrio (CaCO3), calcina dentro do forno, produzindo cal (CaO). Acal, uma substncia bsica, neutraliza a slica cida (SiO2 ) da ganga dominrio, formando uma escria de silicato de clcio (CaO.SiO2 ), a qualpossui ponto de fuso muito menor do que o da slica, facilitando portanto

sua remoo do alto-forno. As reaes descritas acima so dadas abaixo:


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23COCaOCaCO + eq. Erro!


22.SiOCaOSiOCaO + eq. Erro!


Na parte de baixo do alto forno, ar pr-aquecido a uma temperaturaaproximada de 900oC soprado logo acima da linha de formao de escria.O pr-aquecimento do ar se faz necessrio para diminuir a perda calorficado processo, reduzindo o consumo de coque combustvel, o quenaturalmente acarreta uma diminuio do teor de enxofre no ferro gusa.

Figura 1-9 Fluxogrma dos principais processos de reduo siderrgicos

Matrias-primas fornecedoras do(s)agente(s) redutor(es)

Coque CH4

CO e C CO e H2

H2O

CO e H2 H2

C-comb

Cmara dereduo

RetortaCmara dereduo

Minrio Minrio

Ferro Gusa Ferro esponja

Ar

Fornoeltrico

Fornoeltrico

Forno ags

Processo

Ferro-H

Processo

Hojalata y Lmina

Processo

Wiberg-Sdefors

Agentesredutores

Altoforno


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Figura 1-10 Representao esquemtica de um alto-forno.

A reduo do xido de ferro um processo endotrmico que pode ocorrerdiretamente pela ao do carbono redutor do coque ou indiretamente pelomonxido de carbono (CO), o qual formado pela combusto do carbonocom o oxignio do ar. Esta reao de queima, junto com o ar pr-aquecido,fornece o calor necessrio para a reduo.

COOC 222+ H0 eq. Erro!


A qumica das reaes de reduo no alto-forno extremamente complexa esua descrio mais detalhada foge do escopo deste livro. Desta maneira, optou-se por um enfoque simplificado do fenmeno e caso o leitor tenha anecessidade de maiores detalhes do processo, aconselha-se a leitura dasbibliografias citadas no fim do captulo. Entretanto, convm destacar que outrasreaes qumicas ocorrem paralelamente s reaes de reduo e de queima docombustvel. Dentre elas, destacam-se a j mencionada reao de formao deescria, reaes de dessulfurao e reduo de P2O5, MnO e SiO2, formando P,Mn e Si, respectivamente, que so incorporados ao banho.O ferro formado, medida que desce em direo s regies de maiorestemperaturas, a cerca de 1800oC, funde-se e deposita-se no fundo do alto-

200oC

500oC

1700oC

Escria

Gusa lquido

Ar

MinrioCoque

Calcrio


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forno de onde pode ser recolhido periodicamente. Alm da escria, outrossub-produtos so gerados, tais como cinzas da queima de materiais inertesda ganga e do coque e que so arrastadas para fora do forno pelos gases.Estes gases, constitudos, basicamente, por uma mistura de CO 2 e CO, acerca de 300oC, so recuperados para auxiliar os processos de pr-aquecimento.

Produo de ferro gusa em forno eltrico

Quando as reaes de reduo so processadas em um forno eltrico a arco,no h consumo de coque combustvel, nem a necessidade de entrada de ar,uma vez que a energia eltrica se encarrega de aquecer o sistema. O consumogira em torno de 2kWh por kg de ferro produzido, valor este relativamentebaixo, se comparado ao da produo de alumnio que gira em torno de12kWh a 15kWh por kg de alumnio. O consumo de coque s necessriopara alimentar as reaes de reduo e para incorporar carbono ao ferro.

Produo de ferro esponja

O processo Wiberg-Sdefors utiliza-se de dois pares de eletrodos de grafitaque produzem, a cerca de 1100oC, os gases redutores H2 e CO a partir decarbono e gua, de acordo com a equao abaixo:

)()()(0)(2

1100

2gCOgHgHgC

Co

++ eq. Erro!


Os dois gases redutores so injetados, a uma temperatura deaproximadamente 1000oC, na parte inferior de uma cmara de reduo,enquanto o minrio despejado pela parte superior da cmara. O minrio reduzido medida que cai, obtendo-se ferro esponja no estado slido. Oconsumo de energia de cerca de 1kWh por kg de ferro esponja produzido.

O processo Hojalata y Lmina se diferencia do processo Wiberg-Sdeforspor ser um processo descontnuo e por utilizar o metano (CH4), em vez docoque como fonte de carbono. O metano reage com gua, na presena denquel, para formar os gases redutores H2 e CO. Observa-se neste caso quea quantidade de H2 formada trs vezes maior do que na reao de guacom o carbono.

)()(3)(0)(224 gCOgHgHgCH

Ni++

eq. Erro!


O processo Ferro-H utiliza somente o hidrognio, produzido a partir dareao do CH4 com gua, como agente redutor. Este processo emprega

minrio finamente fragmentado em suspenso em um fluxo ascendente deH2. O ferro esponja obtido em seguida sinterizado em lingotes.


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1.3.2 Fabricao de aosOs processos de fabricao de aos baseiam-se, essencialmente, emoperaes de oxidao de impurezas e/ou elementos em excesso no banhometlico, atravs da passagem de ar ou oxignio puro pelo metal lquido oupela adio de substncias ricas em oxignio.

A seqncia de oxidao diferente se o processo ocorre em meios cidosou bsicos, dependendo do tipo do refratrio de revestimento usado. Emlinhas gerais, refratrios silicosos devem operar em meio cido, enquantorefratrios a base de dolomita (CaO.MgO) ou magnesita (MgO) devemoperar em meio bsico. Em meio cido, os primeiros elementos a seoxidarem so o mangans e o silcio, seguidos pelo carbono. Deve-sedestacar que o fsforo, ao oxidar, forma um xido cido (P2O5 ) que spode ser removido na presena de um escorificante bsico, tal como o CaO,e, portanto, o processo deve ocorrer preferencialmente em meio bsico.Desta forma, refinadores do tipo cido s podem operar com ferro gusa debaixo teor de fsforo, devido ao risco de fragilizao do ao. Para que aoxidao ocorra em meio bsico, o ferro gusa deve conter baixo teor de

silcio, uma vez que este elemento ataca o refratrio bsico. A reduo doteor de silcio altera a seqncia de oxidao para silcio, mangans, carbonoe fsforo. A Tabela 1-2 resume as condies de operao de oxidao emmeios cido e bsico.

Tabela 1-2 Parmetros de oxidao em meios cido e bsico

Meio Refratrio% de P noFe gusa

% de Si noFe gusa

Seqncia deoxidao

cido Silicoso Baixo - MnSiC

Bsico Dolomtico ou Magnestico - Baixo SiMnCP

O excesso de oxignio no banho lquido, na forma de FeO, pode serremovido adicionando-se uma pequena quantidade de ferro-liga Fe-Mn (75-80% Mn e 6-7% C), conforme mostrado na equao abaixo:

)()( insolMnOFeMnsolFeO ++ eq. Erro!


O xido de mangans (MnO) que se forma insolvel e arrastado pelaescria. Alm disto, o mangans responsvel pela converso de filmes desulfetos de ferro (FeS), os quais podem criar um caminho propcio propagao de trincas, em glbulos de sulfeto de mangans (MnS), os quaisso menos prejudiciais. O mangans restante, junto com o carbono,

dissolve-se no ao, contribuindo assim para ajustar o teor de carbonoequivalente.


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Dentre os processos mais conhecidos para se realizar a oxidao, destacam-se o conversor Bessemer, os conversores a oxignio, o forno Siemens-Martin e o forno eltrico a arco.O conversor Bessemer (Figura 2-11a) utiliza-se do oxignio do ar paraefetuar a oxidao. As reaes que ocorrem so do tipo exotrmicas eliberam uma quantidade de energia suficiente para manter ou at mesmoaquecer a temperatura do banho e, portanto, o conversor no requer fonte

de energia adicional. A grande quantidade de nitrognio presente no ardiminui o poder calorfico do conversor Bessemer, limitando o uso desucata em no mximo 10% da carga metlica, sob o risco de esfriar o banho.

Alm disto, parte do nitrognio dissolve-se no ao, podendo provocarefeitos indesejveis tais como a formao de nervuras de distenso, devidoao escoamento descontnuo, em operaes de estampagem. Para evitar estasocorrncias, outros processos de converso fazem uso de oxignio puro,aumentando significativamente a gerao de energia decorrente das reaesde oxidao. A Figura 2-11b mostra o princpio de operao de umconversor a oxignio. Isto faz com que o teor de sucata que pode serutilizado chegue at 40%, compensando o custo adicional gerado pelooxignio puro. Alm da economia, a sucata tambm auxilia no resfriamento

do banho, otimizando os processos termodinmicos.Enquanto os conversores Bessemer e a oxignio so energeticamente auto-sustentveis, o forno Siemens-Martin, em geral, utiliza-se de aquecimentogerado por queima de gs, Figura 2-12a. Desta forma, a carga de sucata a seradicionada pode chegar por volta de 50-60%. Este tipo de forno produzaos de alta qualidade a partir de sucata e de ferro gusa com baixo teor defsforo, operando em meio cido. O controle de oxidao feito pelaadio de xidos de ferro ao banho. O cadinho raso, criando uma granderea de contato com a escria. Paulatinamente, as impurezas se oxidam e sejuntam escria que flutua sobre o metal lquido.

Figura 2-11 (a) Coversor Bessemer, (b) conversor a oxignio.

O processo por forno eltrico capaz de produzir aos de alta qualidade apartir da refuso de cargas compostas totalmente de sucata, Figura 2-12b. O

Metallquido

Ar

Oxignio

(a) (b)


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aquecimento gerado por eletrodos de grafita que geram um arco eltricosobre a carga metlica. Quando operando em meio bsico, o processo poderemover quase que a totalidade de silcio, mangans e fsforo e a nicaimpureza que resta no banho , essencialmente, o enxofre. O enxofre ,ento, removido por uma escria bsica redutora criada pela adio de cal(CaO) e antracito (C), conforme a reao dada abaixo. O sulfeto de clcioformado insolvel e eliminado junto com a escria. Dos processos

mencionados acima, este o nico capaz de eliminar o enxofre do ao.

)()( insolCaSCOFeCaOCsolFeS ++++ eq. Erro!


Figura 2-12 (a) Forno Siemens-Martin e (b) forno eltrico a arco

1.3.3 Fabricao de ferro-ligasElementos tais como mangans, molibdnio e boro, normalmente, soproduzidos ligados ao ferro, isto , como ferro-ligas e servem como fontede elementos de liga para a produo de aos e ferro fundidos. A maiorparte dos ferro-ligas so fabricados por um processo denominadoeletrotermia. Em tal processo, uma carga consistindo no minrio a serreduzido, coque, sucata de ao e fundente colocada em um forno eltricoa arco submerso e aquecida. Normalmente, o carbono funciona como umforte redutor nas altas temperaturas atingidas pelo forno. Entretanto, certostipos de ferro-ligas, tais como Fe-Ti e Fe-Nb so produzidos por umprocesso altamente exotrmico chamado de aluminotermia, onde oalumnio usado como agente redutor.

Bibliografia consultada e sugerida

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(a) (b)

Gs e arMetallquido

Sucata Eletrodos


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SOBRE O NEMAF

O NEMAF Ncleo de Ensaios de Materiais e Anlise deFalhas constitudo por professores e pesquisadores doDepartamento de Engenharia de Materiais, Aeronutica eAutomoblstica (SMM) da Escola de Engenharia de So Carlos USP. Atua no desenvolvimento de projetos de pesquisa

cientfico-tecnolgicos e prestao de servios junto a empresas do setor metal-mecnico, tais

como, Petrobras, General Motors, Embraer, Renk Zanini,Dedini, Rassini, Brembo, Pirelli, Tecumseh, Confab entreoutras. A FIPAI Fundao para o Incremento da Pesquisa e doAperfeioamento Industrial uma instituio sem fins lucrativosque viabiliza a prestao de servios da Escola de Engenharia deSo Carlos para empresas de todo o pas.

SOBRE OS AUTORES

Marcelo T.Milan

Pesquisador da EESC-USP emembro do Nemaf SMM

Graduao:Engenharia de Materiais UFSCarMestrado:Cincia e Engenharia de MateriaisEESC-USPDoutorado:Metallurgy and Materials University ofBirmingham -UKPs-doutorado:EESC-USPEspecialidades:Propriedades mecnicas, mecnica da fratura, anlisede falhas e tenses residuais.

OmarMaluf

Pesquisador da EESC-USP emembro do Nemaf SMM

Graduao:Engenharia de Materiais UFSCarMestrado:Cincia e Engenharia de MateriaisEESC-USPDoutorando:Cincia e Engenharia de MateriaisEESC-USPIndstria:Engesa, CBT,Especialidades:Processos siderrgicos, fundio, controle dequalidade e seleo de materiais.

Dirceu

SpinelliProfessor-Titular da EESC-USP eCoordenador do Nemaf - SMM

Graduao:Engenharia Mecnica EESC USPMestrado:Engenharia Metalrgica e de Materiais - UFRJDoutorado:Engenharia Metalrgica EESC -USPPs-doutorado:University of Sheffield UKLivre-Docncia:EESC-USPEspecialidades:Propriedades mecnicas, seleo de materiais,mecnica da fratura e anlise de falhas.

Waldek W.

Bose FilhoProfessor-Associado da EESC USP eVice-Coordenador do NemafSMM

Graduao:Eng. Mecnica EESC USPMestrado:Engenharia Metalrgica EESC - USPDoutorado:Metallurgy and Materials University ofBirmingham -UKPs-doutorado:University of Tennessee - USALivre-Docncia:EESC-USPEspecialidades:Propriedades mecnicas, seleo de materiais,mecnica da fratura e anlise de falhas.


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Documents

Processos extrativos e siderúrgicos