Redução Do Aço

Introduo a Siderurgia e Reduo do Ferro

Gerenciamento do Escopo Hermano Perrelli | CIn-UFPE

Histrico da Siderurgia*Reduo direta

C + O2 CO2

CO2 + C CO

CO + FeXOY Fe + CO2

Fornos primitivos para reduo do minrio


*Alto-forno de 1640, com acionamento hidrulico. Construdos juntos de barrancos para permitir o carregamento pelo topo por carrinhos de mo.

Histrico da Siderurgia


Parque Siderrgico Brasileiro*10 empresas (SINOBRAS, Gerdau, Aperam South American, ArcelorMittal, Usiminas, Vallourec, Vallourec & Sumitomo, Vorotantim Siderurgia, ThyssenKrupp CSA, Villares metals)29 unidadesDistribudas por 10 estadosNono maior produtor de ao mundial


Classificao das Siderrgicas*As usinas siderrgicas podem ser classificadas quanto ao grau de integrao:

Usinas Integradas operam com os trs processos , partindo do minrio de ferro para a produo do ao.

Usinas Semi-integradas operam com as etapas de refino e conformao, partindo do Ferro gusa ou sucata, ou ambos, para a produo do ao.

Usinas no integradas operam apenas em uma das etapas do processo, que pode ser reduo ou conformao.


Siderurgia Conceitos Introdutrios*Siderurgia: ramo da Metalurgia que se dedica ao processo de fabricao do ferro e ao.

Divide-se em:Reduo Reduo dos xidos do minrio de ferro, mediante a presena de um redutor base de carbono.Refino transformao dos produtos da reduo dos minrios de Ferro em ao, com composio qumica adequada ao uso.Conformao transformao mecnica da forma de um corpo para outra, com geometria e dimenses definidas.


Fluxograma do Processo Siderrgico*A fabricao do ao pode ser dividida em quatro etapas:


Fluxograma do Processo Siderrgico*1. Preparao da cargaGrande parte do minrio de ferro (finos) aglomerada utilizando-se cal finos de coque. O produto resultante chamado de sinter. O carvo processado na coqueria e transforma-se em coque.

2. ReduoEssas matrias-primas, agora preparadas, so carregadas no alto forno. Oxignio aquecido a uma temperatura de 1000C soprado pela parte de baixo do alto forno. O carvo, em contato com o oxignio, produz calor que funde a carga metlica e d incio ao processo de reduo do minrio de ferro em um metal lquido: o ferro-gusa. O gusa uma liga de ferro e carbono com um teor de carbono muito elevado.


Fluxograma do Processo Siderrgico*3. RefinoAciarias a oxignio ou eltricas so utilizadas para transformar o gusa lquido ou slido e a sucata de ferro e ao em ao lquido. Nessa etapa parte do carbono contido no gusa removido juntamente com impurezas. A maior parte do ao lquido solidificada em equipamentos de lingotamento contnuo para produzir semi-acabados, lingotes e blocos.

4. LaminaoOs semi-acabados, lingotes e blocos so processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderrgicos, cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composio qumica.


Matrias-primas*As matrias-primas bsicas da indstria siderrgica so:

Minrio de Ferro: matria-prima principal fornecedora de ferro normalmente este aparece combinado com o oxignio na forma de xido.

Carvo: atua como combustvel, redutor do minrio e fonte de carbono (elemento de liga).

Calcrio: matria-prima utilizada para reduzir o ponto de fuso da ganga escorificando as impurezas introduzidas pelos minrios .


Minrio de Ferro*Os mais importantes sob o ponto de vista siderrgico: so os xidos, carbonatos, sulfetos e silicatos.Hematita (Fe2O3) 70%FeMagnetita (Fe3O4) 72%FeLimonita (2Fe2O3.3H2O) 65%FeSiderita (FeCO3) 10 a 40%Fe


Minrio de Ferro*Caractersticas Qumicas basicamente um minrio para alto-forno deve apresentar:Alto teor de ferroBaixos teores de fsforo e enxofre provocam a fragilidade no ferroBaixos teores de lcalis (Na2O e K2O) provocam a formao de casco no interior do alto-forno


Minrio de Ferro*Caractersticas Fsicas observadas:GranulometriaCrepitaoSuscetibilidade desintegrao RedutibilidadeResistncia Mecnica


Beneficiamento*Srie de operaes a qual o minrio submetido com o objetivo de alterar as caractersticas qumicas e fsicas a fim de torn-los mais adequados ao uso.As principais operaes de beneficiamento so:Britagem: fragmentao de blocos obtidos na lavra at se obter um material adequado alimentao da moagem. Britador de Mandbula e Britador Cnico


Beneficiamento*Moagem: fragmentao fina na qual se obtm um produto adequado concentrao ou a qualquer outro processo industrial (pelotizao, lixiviao, etc.).ClassificaoAglomerao


Aglomerao*A etapa de aglomerao tem como objetivo tornar os finos de minrio num produto adequado a alimentao do alto-forno.Vantagens do processo de aglomeraomelhora na permeabilidade da cargareduo do consumo de carvo acelerao do processo de reduo reduo da quantidade de material fino no alto-forno


Sinterizao*Aglomerao de finos de minrio de ferro (0,15 mm a 6 mm sinter feed) em uma mistura com aproximadamente 5%p finos de carvo por meio de elevadas temperaturas, alm de fundentes.Pode-se ainda utilizar finos de retorno do processo siderrgico.Granulometria do sinter: 5 a 50 mm


Sinterizao*Reaes durante a sinterizaoSecagem (at 300C)

Desidratao (400C a 500C)

Reduo Superficial do minrio

Formao da hematita (1300C)

H2O (l) H2O (v) Ca (OH)2 CaO + H2O (v) 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3FeO + CO23FeOH + O Fe3O4


Pelotizao*Aglomerao de finos de minrio de alto teor com granulometria entre < 15 mm (pellet feed), juntamente com um aglomerante de natureza inorgnica (como a bentonita 0,5 a 0,75%p) e outros aditivos (dolomita e calcrio) adicionados a fim de aumentar a resistncia das pelotas.Granulometria da pelota: 6 a 18 mm SecagemPr-aquecimentoQueima


Matrias-primas*Faixa granulomtrica dos principais produtos da mineraoGRANULADO( > 6mm)

SINTER FEED(< 6 mm e > 0,15 mm)

SINTERIZAO

SINTER(< 5 mm e > 50 mm)

PELOTIZAO

PELOTA( > 6 mm e < 18 mm)

PELLET FEED(< 0,15 mm)


Carvo*Agente redutor - Pode ser vegetal (madeira) ou mineral (coque).Funes do carvo no alto-forno:Fornece calor para a combustoFornece carbono para a reduo do xido de ferroFornecer carbono como elemento de liga

Carbonizao da madeira carvo vegetal


Fundente*A principal funo do fundente diminuir o ponto de fuso das impurezas no redutveis do minrio, combinando-se com as cinzas do carvo para formar as escrias. Bsicos (portadores de CaO e/ou MgO cidos (portadores de SiO2 e/ou Al2O3

1000kg gusa 330kg de fundente

Granulometria: 10 a 30 mm Fundentes


Fundente*Os principais fundentes so:

- Calcrio (portador de CaO); - Cal (portador de CaO); - Dunito (portador de MgO e SiO2); - Serpentinito (portador de MgO e SiO2); - Dolomita (portador de MgO e SiO2); - Quartzo (portador de SiO2).


Adies*As principais matrias primas utilizadas como elementos de adio ao processo de reduo so:

Minrio de Mangans - Fornece Mn ao gusa e age como elemento dessulfurante.

Ilmenita - Fornece titnio que age na proteo ao cadinho do Alto Forno.


Produo de Ferro Gusa*Esquema do controle de insumos de uma usina integrada


Carregamento da MP*


Produo de Ferro Gusa*O processo de obteno do ferro consiste basicamente na reduo dos seus xidos por meio de um combustvel carbonoso redutor, em geral coque ou carvo vegetal entre 1535 a 1130C.Matria-prima: minrio + carvo + fundentesProduto Final: Ferro Gusa


Alto-forno*O Alto-Forno um reator que utiliza o princpio de contracorrente, onde, gases em ascenso reagem e transferem calor para slidos e lquidos descendentes.

Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dos regeneradores) injetado atravs das ventaneiras.

A matria prima requer de 6 a 8 horas para alcanar o fundo do forno (cadinho) na forma do produto final de metal fundido (gusa) e escria lquida (mistura de xidos no reduzidos).


Corpo do Alto-forno*O alto forno pode ser construdo com chaparia de ao extradoce, protegida internamente com uma grossa camada de refratrios dotados de camisas de refrigerao a gua.

Historicamente, o corpo principal do alto forno se divide em goela, cuba, ventre, rampa e cadinho.


*Cadinho: parte do alto-forno onde se acumula o metal fundido e a escria. Pode-se atingir dimetro de 10m e 4m de altura.Revestimento de Refratrio Slico-aluminosoNa parte superior do cadinho situa-se o furo de corrida.Acima do furo situam-se as ventaneiras.


Furo de Corrida*


*Rampa: apresenta um formato tronco-cnico e corresponde a rea de maior temperatura e menor espessura do refratrio. Apresenta este formato para compensar a dilatao dos materiais, correspondendo a rea na qual ocorre a fuso do minrio.12345


*Ventre e Cuba: Tambm apresenta formato tronco-cnico constituda de material refratrio de grande espessura e vai diminuindo progressivamente at o topo. Sua altura pode superar os 25m e seu dimetro de aproximadamente 7m.


*Goela/Topo: constitudo de uma tremonha rotativa ligada aos silos compondo o sistema de alimentao de carga.


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona Granular regio na qual o minrio e o carvo descem como carga slida. Reaes envolvendo temperaturas entre 200 e 1000C.Zona que envolve a da regio da goela (topo) at a cuba superior.


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona Granular

Para regies entre 200 e 950C (pr-aquecimento; secagem e reduo indireta) 3Fe2O3 (Hematita) + CO 2Fe3O4 (Magnetita)+ CO2 Fe3O4 (Magnetita) + CO 3FeO (Wustita) + CO2

Principal agente redutor


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona Granular

Para regies entre 900C Calcinao do calcrio CaCO3 CaO + CO2CO + H2O CO2 + H22CO CO2 + C


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona de Amolecimento ou Coesiva incio do amolecimento do minrio e formao de escria primria.Reaes envolvendo temperaturas entre 1000 a 1450CZona que envolve a regio da cuba inferior


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona de Amolecimento

FeO + CO Fe + CO2 H = - 3,99 Kcal/mol CO2 + C 2 CO H = + 41,21 Kcal/mol FeO + C Fe + CO H = + 37,22 Kcal/molReao de Boudouard endotrmica Formao de Ferro Metlico


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona de Amolecimento

Formao da escria primria

SiO2 + 2FeO 2FeO.SiO2 Al2O3 + FeO FeO.Al2O3 SiO2 + MnO MnO.SiO2 SiO2 + 2CaO 2CaO.SiO2

Parte do ferro incorporado na escria


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona de Gotejamento Reduo das impurezas do minrio e de parte do FeO na escria.Reaes envolvendo temperaturas entre 1400e 1800CZona que envolve as regies de cuba, ventre e rampa.


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona de Gotejamento

FeO(l) + CO Fe(l) + CO2 CO2 + C 2CO

P2O5 + 5C 2P + 5CO SiO2 + 2C Si + 2COMnO + C Mn + C Reaes de Reduo do Silcio, Mangans e Fsforo


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona de Combusto combusto do carvo (coque) e subida dos gases para aquecimento da carga.Reaes envolvendo temperaturas na ordem de 2000CZona que envolve a regio do cadinho


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona de Combusto

C + O2 CO2 Formado em torno de 1000C CO2 + C 2CO gs redutor ascendente


Aspectos Internos do Alto-Forno*Zona do Cadinho regio na qual ocorre o acmulo de gusa e escria lquidos no recipiente refratrio.Regio que tambm contm um ou mais furo de gusa pelo qual ocorre o esgotamento.


Aspectos Internos do Alto-Forno*Perfil de temperatura do alto-forno


Produtos do Alto-Forno*

FERRO GUSA liga ferro carbono com alto teor de carbono (3 a 4,5%C)


Subprodutos do Alto-Forno*Escrias Resultante da combinao entre elementos do calcrio, impurezas do minrio e cinzas do carvo. SiO2 29 a 38%Al2O3 10 a 22%CaO + MgO 44 a 48%FeO + MnO 1 a 3%CaS 3 a 4%

250 a 340 kg/t gusaTemp. 1350 a 1500C


Subprodutos do Alto-Forno*Gases de alto-forno Subproduto importante devido ao seu poder calorfico, reutilizado no processo siderrgico.CO2 13%CO 27%H2 3%N2 57%


Subprodutos do Alto-Forno*P de alto-forno- p do sistema de limpeza seco dos gases do alto-fornocorrespondendo a aproximadamente 13% dos resduos slidos gerados no processo de fabricao do ferro gusa.Fe2O3 25 a 40%SiO2 5 a 7%Al2O3 2%Carvo 40 a 45%CaO 2 a 4%


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