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04/07/2017 11:01 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades

Tecnologia Metalúrgica

Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

04/07/2017 11:01 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades

Capítulo VI

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Processos Siderúrgicos

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

04/07/2017

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04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA

6.1 Introdução

PROCESSOS SIDERÚRGICOS: Conjunto de processos

pirometalúrgicos utilizados na extração do ferro e na

fabricação de suas ligas.

SIDERURGIA: Conjunto integrado dos processos

siderúrgicos.

As ligas à base de ferro são produzidas em maior

quantidade do que qualquer outro tipo de metal, e nelas

estão incluídos os aços carbono comuns, os aços-

ferramentas, os aços inoxidáveis e os ferros fundidos.


6.1 Introdução

O amplo uso das ligas à base de ferro deve-se a três

fatores principais (CALLISTER, 2012):

• Os compostos que contém ferro ainda existem em

grande quantidade no interior da crosta terrestre;

• O ferro metálico e as ligas de aço podem ser

produzidos usando-se técnicas de extração,

beneficiamento, formação de ligas e fabricação

relativamente econômicas;

• As ligas ferrosas são extremamente versáteis, no

sentido de que elas podem ser adaptadas para possuir

uma ampla variedade de propriedades mecânicas e

físicas.

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6.1 Introdução

A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na

Revolução Industrial, com a invenção de fornos

que permitiam não só corrigir as impurezas do

ferro, como adicionar-lhes propriedades como

resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão

etc.

Por causa dessas propriedades e do seu baixo

custo o aço passou a representar cerca de 90% de

todos os metais consumidos pela civilização

industrial.


6.1 Introdução

A primeira etapa da siderurgia é a obtenção do ferro

bruto e impuro, denominado ferro gusa, por meio da

redução dos minérios de ferro.

O ferro gusa possui cerca de 90% de pureza; é,

portanto, o produto siderúrgico básico, pois atua como

matéria prima na fabricação dos aços e dos ferros

fundidos.

Atualmente, a produção mundial do ferro gusa supera

1 bilhão de toneladas anuais, das quais o Brasil

participa com mais de 32 milhões de toneladas anuais.

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6.1 Introdução


6.2 Principais minérios de ferro

Os principais minérios de ferro são na forma de óxidos;

entretanto, podem ocorrer em menores quantidades sob

outras formas (carbonatos, por exemplo):

• Magnetita – Essencialmente peróxido de ferro

(Fe3O4); teor nominal de 72,4% de ferro; teor real entre

50 a 70% (presença de ganga); cor cinza escuro;

propriedades magnéticas (facilita operações de

beneficiamento).

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• Hematita – Mais comum; essencialmente trióxido de

ferro (Fe2O3); teor nominal de 69,5% de ferro; teor real

entre 45 a 68% (presença de ganga); geralmente de cor

avermelhada.

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• Limonita – Essencialmente hematita hidratada

(Fe2O3.H2O); proporção de moléculas da água de

hidratação entre 1 e 3; teor real entre 20 a 50% de

ferro; cor marrom.



• Siderita – Pouco frequente, ocorre normalmente em

pequenas proporções como componente de mistura da

hematita; carbonato de ferro (FeCO3); teor nominal de

48,3% de ferro; teor real entre 10 e 40%; cor gris com

matizes de amarelo.

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• Pirita – Pouco frequente e sem maior interesse

siderúrgico; ocorre normalmente como componente de

mistura de minérios de outros metais (minério de

cobre, por exemplo); basicamente sulfeto (FeS2);

apresenta amarelo metálico (“ouro dos tolos”).



BENEFICIAMENTO

• Fragmentação por britagem, moagem e pulverização;

• Classificação por peneiramento;

• Concentração por separação magnética.

PRÉ-EXTRAÇÃO:

• Desidratação a 800 °C, para a limonita eventualmente

presente:

𝐹𝑒2𝑂3. 𝐻2𝑂(𝑠)800°𝐶

𝐹𝑒2𝑂3(𝑠) + 𝐻2𝑂(𝑔)

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• Calcinação a 800 °C, para a siderita eventualmente

presente:

𝐹𝑒𝐶𝑂3(𝑠)800°𝐶

𝐹𝑒𝑂 (𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔)

• Ustulação a 1000 °C, para a pirita eventualmente

presente:

4𝐹𝑒𝑆2 𝑠 + 11𝑂2(𝑔)1000°𝐶

2𝐹𝑒2𝑂3(𝑠) + 8𝑆𝑂2(𝑔)

e onde parte da hematita é oxidada.

3𝐹𝑒2𝑂3 𝑠 + 𝑂2(𝑔)1000°𝐶

2𝐹𝑒3𝑂4(𝑠)



• Aglomeração por pelotização e sinterização: blocos

porosos de poucos centímetros, com cerca de 40 a 60%

de ferro contido.

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6.3 Redução em alto forno

Processo de extração do ferro mais empregado: redução

do seu minério (óxidos), usando-se o carbono como agente

redutor, em forno especial denominado alto forno.

ALTO FORNO: Sistema destinado a produzir ferro gusa

em estado líquido a uma temperatura em torno de 1500ºC,

com a qualidade e em quantidade necessárias para o bom

andamento dos processos produtivos subsequentes

Consiste essencialmente em um reator tubular vertical, no

qual a redução ocorre de maneira praticamente contínua.

Alimentação: Carga sólida na parte superior e ar pré-

aquecido na parte inferior



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Constituição da carga sólida do forno: 3 componentes

básicos:

• Minério de ferro – Geralmente à base de hematita ou mistura

hematita/magnetita; teor médio de 40 a 60% de ferro contido;

forma de pelotas sinterizadas; normalmente acompanhado de

cerca de 10% de ganga (basicamente sílica).

• Fundente – Geralmente à base de calcário (CaCO3); atua no

acerto da escória.

• Coque – Produto obtido pelo processo de “coqueificação”, que

consiste, em princípio, no aquecimento a altas temperaturas, em

câmaras hermeticamente fechadas (exceto para saída de gases),

do carvão mineral. Dupla finalidade: prover o carbono redutor e

o carbono combustível.

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A redução do minério (óxido de ferro) pelo coque (carbono

redutor) ocorre por meio de reações endotérmicas (∆H > 0).

O calor necessário à essa redução é produzido pela combustão

(∆H < 0) de parte do coque (carbono combustível) com o

oxigênio do ar (pré-aquecido entre 800 e 1000 °C) insuflado na

parte inferior do alto forno.

Constituintes das reações que ocorrem no alto forno:

• Ferro gusa – Ferro em estado líquido contendo cerca de 4,5%

de carbono dissolvido, além de diversas impurezas e elementos

dissolvidos, tais como enxofre, fósforo, silício e manganês.

Deposita-se no fundo do alto forno, de onde pode ser retirado

periodicamente.



• Escória – Mistura de óxidos em estado de fusão que, por

sua menor densidade, sobrenada o banho líquido. É

composto de material da ganga e do fundente. Devido a

sua fluidez é retirada 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 alto-forno.

• Gases – Evoluem pela parte superior do alto forno a uma

temperatura da ordem de 300ºC; são constituídos

essencialmente de uma mistura CO2 e CO, e

principalmente N2.

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Composição do ferro gusa: cerca de 4,5 % de carbono; 0,3 a

0,7 % de silício; 0,01 a 0,04 % de enxofre; no máximo 0,1 %

de fósforo; e cerca de 0,15 de manganês.

Composição da escória: 30 a 40 % de SiO2; 5 a 15 % de

Al2O3; 35 a 45 % de CaO; 5 a 15 % de MgO; e 1 a 2 % de

enxofre. Recentemente tem crescido o aproveitamento da

escória de alto forno para a fabricação de cimentos e outros

materiais cerâmicos.

Composição do gás que escapa do alto forno: cerca de 22 %

de CO; 22 % de CO2 (razão CO/CO2 praticamente unitária)

3 % de H2, 50 % de N2 e 3 % de H2O.



Características de um alto forno atual:

• Dimensões: diâmetro entre 10 e 14 m; altura entre 60 e 70

m, mas existem menores.

• Capacidade: 13.000 toneladas/dia de ferro gusa.

• Vida útil: média de 15 anos (e crescendo);

• produtividade: alta produtividade;

• Consumo de combustível: relativamente baixo;

• Carga: geralmente da ordem de 7 vezes maior que a

quantidade de ferro gusa produzida.

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Estatística operacional genérica de um alto forno com alta

produtividade:

• Produção: 1.000 ton/dia;

• Minério: 60 a 40 % de sínter e 40 a 60 % de pelotas;

• Combustível: da ordem de 535 kg, sendo 450 kg de coque

e 85 litros de óleo.

• Capacidade do cadinho: 4.373 m³.

• Sopro de ar: 8.000 m³/min, pressão 4,3 bar e temperatura

de 1.350 ºC, sendo o teor de oxigênio de até 3 %.



Reações do alto forno: A redução do minério ocorre ao longo

do alto forno e durante a queda da carga sólida, e é realizada

por meio de diversas reações, cuja viabilidade é dada no

diagrama de Ellingham, e se dão em etapas caracterizadas

pelas seguintes zonas térmicas do alto forno.

A. Trocador químico superior.

B. Zona de reserva química.

C. Trocador químico inferior.

• Em A e B ocorre a redução indireta (zona de preparação) e

em C a redução direta (zona de elaboração).

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• Na redução indireta a hematita Fe2O3 é reduzida a

magnetita (Fe3O4) e esta a wustita (FeO).

6𝐹𝑒2𝑂3 𝑠 + 𝐶 𝑠500°𝐶

4𝐹𝑒3𝑂4 𝑠 + 𝐶𝑂2 𝑔

∆𝐺673 = −27 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐶

∆𝐻673 = +15 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐶

𝐹𝑒3𝑂4 𝑠 + 𝐶 𝑠1000°𝐶

3𝐹𝑒𝑂 𝑠 + 𝑂 𝑔

∆𝐺1273 = −17 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒3𝑂4

∆𝐻1273 = +145 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒3𝑂4



• Na wustita líquida as gotas que atravessam a parte inferior

do alto forno (“chuva”) são reduzidas (altas temperaturas e

alto potencial redutor).

𝐹𝑒𝑂 𝑠 + 𝐶 𝑠1000°𝐶

𝐹𝑒 𝑠 + 𝐶𝑂 𝑔

∆𝐺1273 = −11 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒𝑂

∆𝐻1273 = +35 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒𝑂

• No fundo do alto forno, na região denominada cadinho,

deposita-se o ferro gusa, contendo elevados teores de C,

Si, Mn, P, S e outros elementos.

• A escória localiza-se sobre o metal líquido, por ser menos

densa.

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6.4 Outros processos de redução

Redução em forno elétrico:

• Países com energia elétrica barata e/ou onde o coque

é oneroso ou inexistente.

• Como não há combustão, o coque é usado apenas

como redutor, bem como não há necessidade de

injeção de ar no sistema.

• A energia térmica necessária ao processos é provida

ao sistema por meio de energia elétrica, através de

eletrodos de grafita, formando um arco elétrico

diretamente na carga do forno.



• Grande economia de volume útil do forno.

• Necessita-se de um elevado consumo específico de

energia elétrica (ordem de 2000 kwh/tonelada de ferro

produzido.

• A redução do minério de ferro ocorre essencialmente com

as mesmas reações químicas do processo no alto forno,

com exceção da reação de combustão do coque.

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• Esquema de um forno

elétrico para a redução do

minério de ferro


6.5 Fabricação do aço

Aços-carbono: Ligas de ferro e carbono contendo,

geralmente, 0,008% até aproximadamente 2,0% em

peso de carbono, além de impurezas em teores

menores que 0,05%, tais como: enxofre e fósforo.

Aços-liga: contêm, além do ferro e do carbono,

outros elementos de liga (cromo, níquel, manganês

etc.) ou apresentam elementos residuais em teores

acima dos que são considerados normais (mais

elementos de liga são adicionados intencionalmente

ao aço, em concentrações específicas).

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Pequenas variações no teor de carbono e de elementos de

liga impõem ao aço propriedades específicas para

determinadas aplicações.

O ferro gusa é bastante heterogêneo e impuro, e os

elementos químicos de sua composição, estão acima dos

valores aceitáveis para ser considerado aço (Tabela).



Alguns elementos componentes do ferro gusa formam

compostos com o ferro, comprometendo o desempenho do

produto final (aços e ferros fundidos), por exemplo:

• Enxofre. Forma um sulfeto (FeS) de baixo ponto de fusão,

que se precipita e segrega nos contornos de grãos e que se

funde à temperatura de forjamento, provocando o

surgimento da fragilidade a quente no produto.

• Fósforo. Forma um fosfeto (Fe3P) de elevada dureza,

provocando o surgimento da fragilidade a frio, que

prejudica os processos de conformação a frio.

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Para alcançar o objetivo de diminuir controladamente os

elementos do ferro gusa, em níveis abaixo dos teores

normalmente encontrados nesse material, procede-se à

sua oxidação.

A oxidação consiste na passagem de oxigênio (puro ou do

ar) em meio à massa do ferro gusa no estado líquido,

aproximadamente a 1600 °C.

Entre os processos mais utilizados para produção de

aço em escala industrial tem-se: o processo

Bessemer, o processo Thomas e o processo LD.



Caracterização do Processo Bessemer :

• Este processo baseia-se em diminuir o C, o Si e o Mn

do gusa líquido soprando ar através do banho e assim

convertendo-o em aço.

• Por ser um processo ácido não são eliminados o P e S,

por este motivo a presença desses elementos deve ser

mínima.

• O oxigênio do ar que se combina com o C e Si do

gusa gera calor suficiente para manter fundido o

metal e a escória.

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• O equipamento em que se efetua este processo é

chamado de conversor (Figura), suas características de

construção, compreendem de uma carcaça de chapa de

aços em forma de pera, revestida internamente com

tijolos refratários.

• Normalmente usa-se refratários de sílica (ácido) para

evitar a reação com a escória ácida, resultante do

processo.

• O fundo do conversor é perfurado, para injeção de ar, e

de fácil troca, já que sua vida útil, devido a severidade

no uso é baixa.



• Algumas características técnicas do processo e do

conversor:

Carga = sucata (pequena quantidade) + ferro gusa

(líquido);

Tempo de cada corrida = 15 minutos;

Pressão do ar injetado = 1,4 a 1,7 atm;

Capacidade de carga do conversor 25 a 40 toneladas;

Temperatura máxima utilizada no processo = 1.600ºC;

Devido as reações de oxidação dos elementos químicos

serem fortemente exotérmicas (principalmente a do

silício), dispensa-se qualquer tipo de combustível.

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Caracterização do processo Thomas (Bessemer básico):

• Processo semelhante ao Bessemer, porém é indicado

para o ferro gusa rico em fósforo e com baixo teor de

silício, diferindo na composição da carga, pois adiciona-

se cal, para redução do P e S.

• A quantidade de cal utilizada depende do teor de Si e P.

• O conversor é idêntico ao Bessemer, porém o material

refratário para o revestimento interno do conversor é

básico (tijolos de dolomita), devido a escória resultante

do processo ser básica.

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• As principais reações ocorrem nesta sequência,

oxidação do Si e Mn, oxidação do C, oxidação do

P.

• Sequência de operação:

1. carregamento de sucata (e minério, opcional);

2. carregamento de gusa líquido;

3. injeção de ar;

4. vazamento e desoxidação do aço.



Caracterização do processo LD:

• O processo LD tem como princípio injeção de

oxigênio pela parte superior do conversor.

• A injeção do oxigênio é realizada através de uma

lança constituída de três tubos concêntricos de aço,

em que O2 passa pelo tubo central, e os dois tubos

adjacentes servem para refrigeração com água.

• A forma do conversor é similar ao conversor

Bessemer e Thomas (Figura).

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• Características técnicas do processo e conversor:

− Carga = sucata (pequena quantidade) + ferro gusa

(líquido) + cal;

− Tempo de cada corrida = 40 a 50 minutos;

− Distância da lança a superfície do banho = 0,3 a 1,2

metros;

− Capacidade de carga do conversor = 100 toneladas;

− Temperatura máxima utilizada no processo = 2.500 ºC;



− Possuem sistema de tratamento de resíduos gasosos e

sólidos, resultantes do processo.

− O oxigênio injetado tem uma pureza que varia de 90 a

95%.

− As principais reações ocorrem nesta ordem, oxidação

do Si, oxidação do C.

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