engenharia de processos - siderurgia - alto forno
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Disciplina: MIN238 – 11ENGENHARIA DE PROCESSOS
(Mineração)
I - Semestre de 2010
Universidade Federal de Ouro PretoEscola 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 écontínuo.
Minério de ferroFundentesCoque (CV)ArVapor de água
Gases secosVapor de água nos gasesGusaPoeirasEscória
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 écontínuo.
Minério de ferroFundentesCoque (CV)ArVapor de água
Gases secosVapor de água nos gasesGusaPoeirasEscória
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 ºC2- 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 suprirácalor 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 + CO2620°C a 800°C: FeO + C = Fe + CO
FeO + CO = Fe + CO2± 870°C: CO 2 + C = 2CO900°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 + COFeO + 3C = Fe + CO
> 1200°C: MnO + C = Mn + COSiO2 + 2C = Si + 2COP2O5 + 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 = 2COH2O + 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 = CO2CO2 + C = 2COH2O + C = H2 + CO
Redução do minério a ferro metálico2Fe2O3 + 8CO = 4Fe + C + 7CO23Fe2O3 + C = Fe3O4 + CO3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2Fe3O4 + C = 3FeO + COFe3O4 + CO = 3FeO + CO2FeO + C = Fe + COFeO + CO = Fe + CO2Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3COFe2O4 + C = 3FeO + COFeO + 3C = Fe + CO
O CO2 de várias reações reage com carvãoCaCO3 = CaO + CO2MgCO3 = MgO + CO2CO2 + C = 2CO
água contida forma combustívelH2O + C = CO + H2
Siderurgia – Alto Forno –
Principais reações
(simplificada)
Redução do silício, fósforo e manganês
A baixas temperaturas:2MnO2 + C = 2MnO + CO2
A altas temperaturas2MnO + C = 2Mn + CO2SiO2 + 2C = Si + 2COP2O5 + 5C = 2P + 5COPraticamente todo o fósforo éincorporado no ferro gusa
Escoriamento (aglomeração de óxidos)CaO + SiO2 = CaSiO3 (escória)
DessulfurizaçãoFeS + 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%Al 2O3 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%Al 2O3 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%Al 2O3 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 CaCO 3
(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 en tre 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 FerroCarvão MineralCarvão VegetalFundentes e AdiçõesSucata de AçoFerro-Ligas
Industria IntegradaMinério de FerroCarvão Mineral, VegetalFundentes e Adições Sucata de AçoFerro-Ligas
Industria Semi-IntegradaSucata de Aço ou Ferro EsponjaGusa sólidoFundentes e AdiçõesFerro-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% FeItabirito 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 ferroBaixo teores de álcalis, fósforo e enxofreBoa resistência mecânicaRedutibilidadeGranulometría 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
LavraBritagemMoagemPeneiramento (classificação pelo tamanho) Homogeneização
Classificação gravimétricaFlotaçãoLavagemCalcinaçãoConcentração magnética
Classificação e concentração
Aglomeração BriquetagemNodulizaçãoSinterizaçãoPelotização
Principais operações de beneficiamento empregadas n a mineração de ferro.
Siderurgia – Minério de Ferro
O termo genérico “beneficiamento” compreende uma série de operações que têm como objetivo tornar o minério mais a dequado 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.
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