SIDERRGIACURSO DE PROCESSOS METALRGICOS FATEC So Prof. J. Paes

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InicioQuando as terras brasileiras foram descobertas, as prticas mercantilistas imperavam na Europa. Os portugueses chegaram ao Brasil com a esperana da extrao de metais como ouro, prata e cobre (bronze). No entanto, nenhum tipo de metal, nem mesmo ferro, foi encontrado em um primeiro momento. Os poucos ferreiros que vieram para o Brasil utilizavam o ferro originrio da Europa para produzir os instrumentos usados na lavoura. 1554 - O padre jesuta Jos de Anchieta relatou, em um informe ao rei de Portugal, a existncia de depsitos de prata e minrio de ferro no interior da capitania de So Vicente (atual estado de So Paulo). Quem primeiro trabalhou na reduo desse minrio de ferro foi Afonso Sardinha. 1587 - Ele descobriu magnetita na atual regio de Sorocaba, no interior de So Paulo, e iniciou a produo de ferro a partir da reduo do minrio. a primeira fbrica de ferro que se tem notcia no Brasil. As forjas construdas por Sardinha operaram at a sua morte, em 1616. Aps essa data, a siderurgia brasileira entrou em um perodo de estagnao que durou at o sculo seguinte. A trajetria da primeira siderrgica brasileira, iniciada por Afonso Sardinha e que hoje pode ser visitada dentro da Floresta Nacional de Ipanema. Desenvolvimento Foi a descoberta de ouro no atual Estado de Minas Gerais que desencadeou um novo estmulo siderurgia. Fundies foram abertas para a construo de implementos de ferro utilizados no trabalho das minas. Contudo, as mesmas prticas mercantilistas que impulsionaram a descoberta de metais em nossas terras fizeram com que a construo de uma indstria siderrgica brasileira fosse reprimida. A colnia deveria ser explorada ao mximo e comercializar apenas ouro e produtos agrcolas. Portugal chegou a proibir a construo de novas fundies e ordenou a destruio das existentes. A situao mudou com a ascenso de Dom Joo VI ao trono de Portugal. Em 1795, foi autorizada a construo de novas fundies. Em 1808, a famlia real portuguesa desembarcou fugitiva no Rio de Janeiro, temendo o avano das tropas napolenicas s terras lusitanas. Diversas indstrias siderrgicas foram construdas a partir desse perodo. 1815 - Ficou pronta a usina do Morro do Pilar, em Minas Gerais. 1818,- A fbrica de Ipanema, nos arredores de Sorocaba, comea a produzir ferro forjado. Outras indstrias foram abertas em Congonhas do Campo, Caet e So Miguel de Piracicaba, todas em Minas Gerais. Antes da abertura das fbricas locais, o ferro era exclusivamente importado de pases europeus, especialmente da Sucia, da Alemanha e da Espanha.

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Aps esse incio de sculo XIX promissor, houve um declnio na produo de ferro. A competio com os produtos importados da Inglaterra (que eram favorecidos com uma diminuio no imposto de importao) era desigual e travava o desenvolvimento da siderurgia brasileira. Alm disso, havia escassez de mo-de-obra, j que os trabalhadores, em sua maioria, eram sugados pela lavoura do acar e, mais tarde, do caf. Mesmo assim, um marco importante para o posterior progresso da siderurgia brasileira data desse perodo: a fundao, em 1876, da Escola de Minas de Ouro Preto, que formaria engenheiros de minas, metalurgistas e gelogos. Incio do Sculo XX As primeiras dcadas do sculo XX foram de avanos para a siderurgia brasileira, impulsionados pelo surto industrial verificado entre 1917 e 1930. O mais importante foi a criao, na cidade de Sabar (MG), da Companhia Siderrgica Mineira. Em 1921, a CSBM-Cia. Siderrgica Belgo-Mineira foi criada como resultado da associao da Companhia Siderrgica Mineira com o consrcio industrial belgo-luxemburgus ARBEd-Acires Runies de Bubach-Eich-dudelange que, em 1922, associou-se a capitais belgas e se transformou na Companhia Siderrgica Belgo-Mineira. Os governos brasileiros dos primeiros 30 anos do sculo XX, mais preocupados com o caf, davam pouca ateno ao crescimento da indstria nacional. A siderurgia era exceo: decretos governamentais concederam s empresas de ferro e ao diversos benefcios fiscais. Na ocasio, a produo brasileira era de apenas 36 mil toneladas anuais de gusa. A dcada de 30 registrou um grande aumento na produo siderrgica nacional, principalmente incentivada pelo crescimento da Belgo-Mineira que, em 1937, inaugurava a usina de Monlevade, com capacidade inicial de 50 mil toneladas anuais de lingotes de ao. Ainda em 1937, so constitudas a companhia siderrgica de Barra Mansa e a Companhia Metalrgica de Barbar. Apesar disso, o Brasil continuava muito dependente de aos importados. Expanso O cenrio de permanente dependncia brasileira de produtos siderrgicos importados comeou a mudar nos anos 40, com a ascenso de Getlio Vargas presidncia do Brasil. Era uma das suas metas fazer com que a indstria de base brasileira crescesse e se nacionalizasse. Um dos grandes exemplos desse esforo foi a inaugurao, em 1946, no municpio de Volta Redonda (RJ), da Companhia Siderrgica Nacional (CSN), que comeou a produzir coque metalrgico. No mesmo ano, foram ativados os altos-fornos e a aciaria. As laminaes entraram em atividade em 1948 e marcaram o incio da autonomia brasileira na produo de ferro e ao. Erguida com financiamentos americanos e fundos do Governo, a gigante estatal do setor nascia para preencher um vazio econmico.

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O ano de 1950, quando a usina j funcionava com todas as suas linhas, pode ser tomado como marco de um novo ciclo de crescimento da siderurgia brasileira. A produo nacional de ao bruto alcanava 788 mil toneladas e tinha incio uma fase de crescimento continuado da produo de ao no Pas. Dez anos depois, a produo triplicava e passados mais dez anos, em 1970, eram entregues ao mercado 5,5 milhes de toneladas. A oferta estimulou a expanso da economia, que passou a fazer novas e crescentes exigncias s usinas. Outra conseqncia foi o acentuado aumento das importaes de ao. Foi este cenrio que deu origem, em 1971, ao Plano Siderrgico Nacional (PSN), com o objetivo de iniciar novo ciclo de expanso e quadruplicar a produo. Caberia responsabilidade maior por esta meta s empresas estatais, que ento respondiam por cerca de 70% da produo nacional e detinham exclusividade nos produtos planos. Parte da produo era para ser exportada. Em 1973, foi inaugurada no Pas a primeira usina integrada produtora de ao que utiliza o processo de reduo direta de minrios de ferro a base de gs natural, a Usina Siderrgica da Bahia (Usiba). No mesmo ano foi criada a Siderurgia Brasileira S.A (Siderbrs). Dez anos depois, entrou em operao, em Vitria (ES), a Companhia Siderrgica de Tubaro (CST). Em 1986, foi a vez da Aominas comear a funcionar em operao em Ouro Branco (MG). Na dcada de 80, o mercado interno estava em retrao e a alternativa era voltar-se para o exterior. De uma hora para outra, o Brasil passava de grande importador a exportador de ao, sem ter tradio no ramo. Mas a crise que atingia a siderurgia brasileira tinha amplitude mundial. Por toda parte, os mercados se fechavam com medidas restritivas s importaes. Na poca, comearam a freqentar as pginas dos jornais termos como restries voluntrias, sobretaxas antidumping, direitos compensatrios e salvaguardas. Dcada de 90 O parque siderrgico nacional iniciou a dcada de 90 contando com 43 empresas estatais e privadas, cinco delas integradas a coque, nove a carvo vegetal, duas integradas a reduo direta e 27 semi-integradas, alm de produtores independentes de ferro-gusa e carvo vegetal, que somavam cerca de 120 altos-fornos. A instalao dessas unidades produtoras se concentrou principalmente no Estado de Minas Gerais e no eixo Rio-So Paulo, devido proximidade de regies ricas em matrias-primas empregadas na fabricao do ao, ou de locais com grande potencial de consumo. Nos primeiros anos da dcada de 90, era visvel o esgotamento do modelo com forte presena do Estado na economia. Em 1991, comeou o processo de privatizao das siderrgicas. Dois anos depois, oito empresas estatais, com capacidade para produzir 19,5 milhes de toneladas (70% da produo nacional), tinham sido privatizadas. Entre 1994 e 2007, as empresas siderrgicas investiram US$ 21,5 bilhes, dando prioridade para a modernizao e atualizao tecnolgica das usinas, alcanando uma capacidade instalada de 41 milhes de toneladas. Momento Atual

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A privatizao trouxe ao setor expressivo afluxo de capitais, em composies acionrias da maior diversidade. Assim, muitas empresas produtoras passaram a integrar grupos industriais e/ou financeiros cujos interesses na siderurgia se desdobraram para atividades correlatas, ou de apoio logstico, com o objetivo de alcanar economia de escala e competitividade. O parque siderrgico brasileiro compe-se hoje de 27 usinas, administradas por oito grupos empresariais. So eles: Arcelor Mittal Brasil, Gerdau, CSN, Usiminas, SINOBRAS, V&M do Brasil, Villares Metals e Votorantim Siderurgia. O parque produtor relativamente novo e passa por um processo de atualizao tecnolgica constante. Est apto a entregar ao mercado qualquer tipo de produto siderrgico, desde que sua produo se justifique economicamente.

Processo de elaborao de aos Introduo A metalurgia do ferro apresenta um dos roteiros menos intuitivos sob os aspectos termodinmicos e composio qumica, sendo ao mesmo tempo um dos mais bem estabelecidos entre todos os metais. O desafio da elevada produo mundial de aos, contendo pelo menos cinco elementos controlados em nvel de preciso de at dezenas de ppm (partes por milho em peso), a custos razoveis e a temperaturas nas quais os revestimentos refratrios dos equipamentos terminam por fazer parte dos processos faz que esta seja possivelmente uma das indstrias siderrgicas mais avanadas atualmente. O minrio de ferro uma das matrias primas mais importante para produo de ferro fundido e ao. O ferro ocorre na natureza sob diversas formas de minerais, entretanto, apenas alguns destes tem valor comercial como fonte de ferro para indstria siderrgica, so eles: Magnetita (Fe3O4) Correspondem a 72% de Fe e 28% de O2 em peso de colorao cinza escura a preta e densidade 5,16 gr/cm3. magntica o que facilita a separao.

Hematita (Fe2O3) Correspondem a 70% de Fe e 30% de O2 em peso com colorao cinzenta a avermelhada e densidade 5,26 gr/cm3 . o minrio de maior emprego na siderurgia, sendo o Brasil um dos maiores produtores mundiais.

Em muitas jazidas, h certa proporo de material frivel, que se desagrega facilmente, produzindo finos que no podem ser utilizados diretamente no alto forno ou nos processos de reduo. Tambm na moagem e classificao da hematita ocorre a formao de finos. A existncia destes finos levou ao desenvolvimento dos processos de aglomerao de minrios: sinterizao e pelotizao.

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As vantagens decorrentes do uso destes aglomerados no alto-forno, tais como controle da permeabilidade, uniformidade de reatividade, alto rendimento etc., fizeram que estes materiais passassem a ser os preferidos para carga dos modernos altos fornos. Os minrios de ferro precisam ser quimicamente reduzidos para que se obtenha o ferro metlico com processo chamado de reduo: Fe2O3 + 3C > 2Fe +3CO Atualmente, h duas tcnicas mais importantes para reduo do minrio de Ferro: - O alto forno produzindo Gusa liquido. - A reduo direta como COREX que produz metal liquido equivalente ao gusa, vem sendo desenvolvidos nas ultimas dcadas. O Ferro Gusa - uma forma intermediria pela qual passa praticamente todo ferro usado na produo primria do ao. Alm desse emprego, o ferro gusa pode ser utilizado em fundies para produo de fundidos de ferro. Genericamente podemos definir o ferro gusa pela composio qumica situada nas seguintes faixas: Carbono Silcio Enxofre Fsforo Mangans 3,5 a 4,5 % ; 0,3 a 2,0 % ; 0,01 a 0,1 %; 0,05 a 2 %; 0,5 a 2%.

A figura abaixo mostra esquematicamente um alto. Nesse processo, so carregados alternadamente, em camadas, pelo topo: minrio de ferro ( e/ou pelotas ou sinter), coque (combustvel e redutor) e fundente (calcrio e/ou dolomita). Por meio de penetraes na parte inferior do forno, chamadas ventaneiras, ar quente e/ou enriquecido com oxignio injetado. Em altos-fornos modernos, carvo pulverizado (e, eventualmente, leo ou gs combustvel) pode tambm ser injetado pelas ventaneiras para complementar as necessidades de combustvel e redutor. O ar soprado pelas ventaneiras queima parte do coque e o combustvel injetado, para fornecer calor s reaes qumicas e para fuso do ferro, enquanto o resto do coque e parte do produto da queima remove o oxignio combinado com o metal nas reaes de reduo. Ocorrendo a reduo do minrio, o metal liquido goteja sendo coletado no cadinho, no fundo do forno.

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O alto-forno , portanto, um complexo reator qumico que envolve trs fases em contracorrente: gs, slido e lquido. A fase slida, por sua vez, uma mistura de diferentes materiais, com diferentes caractersticas fsicas e qumicas. Uma das variveis crticas para operao eficiente do alto-forno , portanto,a permeabilidade do interior do forno. Como a carga slida tem grande importncia na definio da permeabilidade, necessrio observar e controlar: a) As caractersticas dos materiais carregados, tamanho e comportamento no interior do forno. b) O modo de carregamento para garantir distribuio uniforme. c) As alteraes fsico-qumicas que estes materiais sofrem a medida que descem pelo interior do alto-forno, participando das reaes qumicas inerentes do processo. O controle de escoamento dos gases exige que o carregamento se faa mantendo a presso interna constante. O sistema de carregamento sem cone tem substitudo os sistemas tradicionais de dois cones. Nestes sistemas um distribuidor giratrio capaz de colocar o material em posio predefinida no topo da carga do forno, pelo conhecimento da sua trajetria da queda, prevista em funo da densidade e granulometria. Isto essencial para operao estvel do forno.

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O balano energtico do alto-forno ajustado para atender as necessidades de uma usina integrada, considerando-se os custos relativos dos combustveis e produtos. Na dcada de 70 grande quantidades de leo combustveis eram injetados para reduzir o consumo especifico do coque, o aumento do preo de petrleo levou a seleo de outras fontes de energia. O aumento tambm dos custos do coque e as presses ambientais sobre operaes de coquerias fomentaram o uso de carvo pulverizado (Pulverized Coal Injection PCI) Um exemplo de carga para alto forno ( as propores variam em funo da prtica operacional): 1610 kg de minrio ( 73% sinter, 5% pelotas e 22% minrio ) 506 kg de redutor (381 kg de coque, 125 kg de carvo pulverizado) 250 kg de calcreo (eventualmente contido em parte nas pelotas e sinter) 1,8 a 2,0 ton de ar

Dessa carga obter-se-ia 1 ton de gusa, 0,2 a 0,4 ton escria (usada em fabrica de cimento) e 2,5 a 3,5 ton de gs de alto-forno, utilizado para aquecimento em diversos setores da usina devido conter alto teor de CO.

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Reaes no processo do alto-forno A anlise das reaes que ocorrem no processo do alto-forno realizada pela termoqumica metalrgica e pela cintica qumica. Produo de calor e reduo do ferro Quando os materiais da carga e o coque so carregados no topo do alto-forno, eles so praquecidos pelos gases quentes que ascendem pela coluna. Assim quando o coque atinge a poro inferior do forno, entrando em contato com o ar quente insuflado pelas ventaneiras, ele queima com grande intensidade, em conjunto com o carvo pulverizado injetado. Nas temperaturas existentes nessa regio (> 1500C) o CO2 no estvel em presena de um excesso de carbono sendo a reao de oxidao expressa por : C + O2 CO Entre ( com temperatura menor e igual a 700-800C) ocorre equilbrio termodinmico : Fe2O3 + 3/2 CO < > Fe + 3/2 CO2 1/3 Fe3O4 + 4/3 CO < >Fe + 4/3 CO2

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FeO + CO < > Fe + CO2 A umidade do ar soprado e os hidrocarbonetos presentes no carvo injetado estabelecem, no gs, o equilbrio: C + H2O < > CO + H2 assim o hidrognio est disponvel para atuar como redutor. O xido de ferro no reduzido nas regies mais altas do forno, ser reduzido na poro inferior, a mais alta temperatura, em que o CO2 no estvel, portanto: FeO +CO < > Fe + CO2 endotrmica do carbono. e CO2 + C < > 2CO => Reao de Boudoard ou gaseificao

Ocorrem em seqncia, resultando em: FeO + C < > Fe + CO Reduo do silcio, fsforo e mangans: MnO + C < > Mn + CO SiO2 + 2C < > Si + 2CO P2O5 + 5C < > 2P + 5CO

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Construo do Alto-Forno. Como se v, trata-se de uma estrutura cilndrica, de grande altura, que compreende essencialmente uma fundao e o forno propriamente dito. Esta, por sua vez, constituda de trs partes essenciais: cadinho, rampa e cuba. Cadinho O cadinho corresponde parte do alto-forno onde se acumulam o metal fundido e a escria, resultantes das reaes que ocorrem no seu interior. O cadinho tem forma cilndrica e construdo em chapa grossa de ao, com revestimento interno de material refratrio de natureza slico-aluminosa ou de blocos de carbono. Entre a chapa de ao e o revestimento refratrio so colocadas placas retangulares de ferro fundido, contendo no seu interior tubos de gua, por onde esta circula, promovendo o resfriamento e proporcionando, assim, melhor condio do material suportar as temperaturas elevadas que ocorrem nessa regio e as presses devidas ao peso da carga. O dimetro do cadinho, dependendo da capacidade do forno, pode ser mais ou menos igual ou maior que 10 metros. A altura do cadinho supera frequentemente 4 metros. Na parte inferior do cadinho, acerca de 1m do fundo, situa-se o furo de corrida do gusa, o qual, durante a operao do forno, permanece fechado com massa refrataria colocada sob presso e,por Acima do furo de corrida do gusa, a cerca de 2,0 a 2,40m do fundo , situam-se os furos de corrida de escria, geralmente em nmeros de dois. Na parte superior do cadinho, a cerca de 3,25m do fundo situam-se as ventaneiras , atravs das quais soprado ar pr-aquecido e sob presso.O nmero de ventaneiras, de formato cnico, construdas de cobre e refrigeradas a gua, varia de 20 a 32.

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Rampa A rampa tem formato tronco-cnico; suas dimenses variam desde o dimetro do cadinho at 10,5 ou mais, com altura que pode superar 4m. A rampa corresponde zona, de certo modo, mais quente: a a espessura do refratrio menor que a do cadinho, exigindo, em conseqncia, um resfriamento externo mediante o emprego de placas metlicas por onde circula a gua. A inclinao da rampa da ordem de 80 a 82 em relao horizontal, Cuba A cuba, tambm de forma tronco-cnica, tem a seo menor voltada para cima, no topo ou goela. Sua altura, a partir da rampa, pode superar 25m. Em conseqncia, a altura do alto-forno, compreendendo o cadinho, rampa e cuba, a partir do fundo do cadinho, supera 30m, aos quais devem juntar-se cerca de 4,5 a 5,0m do fundo de cadinho ao piso do cho. O dimetro superior da rampa, na sua juno com o topo, de aproximadamente 7,25 a 7,50 metros. A cuba constituda de revestimento de tijolos refratrios de grande espessura, devido ao desgaste, essa espessura maior no inferior e vai diminuindo at chegar ao topo. No topo do alto-forno situa-se o sistema de carregamento(fig.6). O sistema de carregamento mais comum chamado copo e cone, como a figura mostra. Ele constitudo de uma tremonha de recebimento de carga, ligada ao silo ou tremonha superior rotativa, cujo fundo corresponde ao sino ou cone pequeno; esta pode ser movimentado por um sistema de alavancas. A tremonha de recebimento descarrega a carga no silo ou tremonha rotativa, uma vez feita a descarga, o cone pequeno abre-se e descarrega o material na tremonha inferior, cujo fundo corresponde ao sino ou cone grande. Aps ter carga suficiente na tremonha inferior, abre-se o cone grande que despeja o material no interior do forno.Isto s e feito quando o cone pequeno esta fechado para evitar a fuga de gases, estes saem pelos tubos de sada normalmente a 90 um do outro que se comunicam com tubos de ascenso de gases. Sistema de limpeza O alto-forno tem um sistema de limpeza cujo composto pelos seguintes acessrios: - Coletor de poeiras, cuja a funo recolher a grande quantidade de poeiras carregadas no gases. Num alto-forno de 1.600t/dia de ferro gusa, a quantidade de poeiras arrastada pelos gases situa-se em torno de 100t/dia.O gs penetra no coletor pela sua parte superior, cuja forma tronco-cnica. A parte central do coletor cilndrica e a poeira retirada por meio de carrinhos. O gs , em seguida, dirigido para os lavadores . - Lavadores, que empregam, atualmente, um precipitador eletrosttico, o qual permite a gerao de um campo eltrico que ioniza as partculas de p, atraindo-os para as paredes do parelho. Da so levadas ao fundo, por intermdio de uma camada de gua que escorre pelas paredes.

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-Regenerador de calor,Finalmente, o acessrio mais importante corresponde s estufas ou regeneradores de calo. constitudo de uma cmara de combusto em que o gs do alto-forno queimado juntamente com ar. Ao atingir a cpula do regenerador, o gs muda de direo e atravessa, no sentido descendente, a outra seca do regenerador ou seja uma cmara de empilhamento de tijolos refratrios, cedendo calor aos tijolos que atingem temperaturas da rodem de 1.400C, a pos cerca de 1h 30 ,min.Uma vez atingida essa temperatura, interrompe-se, por intermdio de vlvulas, a entrada de ar e gs na cmara de combusto e promove-se a entrada de ar sob presso, pela parte inferior da cmara de empilhamento. O ar, ao atravessar os tijolos aquecidos, vai-se aquecendo, muda de direo ao chegar cpula do regenerador e desce pela cmara de combusto at atingir o tero inferior desta, de onde sai para o alto-forno, atravs da vlvula de ar quente.O gs queimado dirigido chamin, colocada perto do regenerador, de modo a reduzir a um mnimo a perda de triagem.Normalmente um alto-forno equipado com trs regeneradores .

Operao do alto-forno A operao do alto-forno iniciada depois de ter passado pelo processo de secagem e preparo preliminar os regeneradores so aquecidos previamente, de modo que um dos meios de secar o alto-forno consiste em soprar-se ar quente dos regeneradores, atraves das ventaneiras, durante 10 a 15 dias, at que a temperatura em torno de 600C seja alcanada. Outro mtodo de secagem a queima de carvo de madeira ou coque. A primeira carga de matria prima apresenta uma proporo maior de coque para acelerar o aquecimento do revestimento refratrio, assim como para formar uma quantidade maior que a normal de escria. medida que a combusto do carvo progride, a proporo dos vrios elementos constituintes da carga modificada at atingir-se a normal. Essa carga , em outras palavras, modificada em funo da qualidade das vrias matriasprimas, inclusive se utiliza apenas minrios de ferro ou igualmente sinter ou pelotas . Alm da carga slida, a quantidade de ar necessria muito elevada da ordem de 2000 a 25000t por 1000t de gusa; do mesmo modo a gua de refrigerao, num alto forno moderno, da ordem de 20m3/t de gusa lquido e o consumo de energia para o acionamento dos vrios dispositivos eltricos de carregamento, queimadores, precipitadores, controles etc. da ordem de 10kWh/t de gusa lquido. Num alto forno, existem duas correntes de materiais responsveis pelas reaes que se verificam: uma corrente slida, representada pela carga que desce paulatinamente e uma corrente gasosa que se origina pela reao de carbono do carvo com o oxignio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente. A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente, sofre uma secagem, inicialmente, pela remoo da gua higroscpica e , a seguir, remoo da gua de hidratao, remoo essa que se completa somente por volta de 500C.

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A formao de escria compreende reaes bem mais complexas.Essa escria, resulta da combinao do CaO e do MgO do calcrio com a ganga do minrio e as cinzas do carvo.A escria se origina, na sua quase totalidade, ao ser alcanada a rampa, a cerca de 1200C. Esse produto caracteriza-se por sua grande fluidez e seu baixo peso especfico.Assim no cadinho, a escria e o gusa lquido separam-se por gravidade, formando duas camadas: a inferior, metlica e a superior, a escria, facilitando o vazamento de ambos os produtos. Produtos do Alto-forno. O principal produto do alto-forno o ferro gusa, cuja utilizao feita nas aciarias, para onde encaminhado no estado lquido e transformado em ao.O ferro fusa ainda utilizado no estado slido como principal matria-prima das fundies de ferro fundido. H vrios tipo de ferro gusa, basicamente, uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variveis de silcio, mangans, fsforo e enxofre, devido as matrias-primas utilizadas e o processo de produo. De uma modo geral, a maioria dos ferros gusas possveis de serem obtidos em alto-forno est compreendida na seguinte faixa de composies: Carbono - 3 a 4,5% Silcio - 0,5 a 4,0% Mangans - 0,5 a 2,5% Fsforo - 0,05 a 2,0% Enxofre - 0,20% max. A escria tambm uma produto do alto-forno, depois de solidificada pode ser empregado como lastro de ferrovias, material isolante, etc.Sua mais importante aplicao d-se na fabricao do chamado cimento metalrgico . Concluso O alto-forno um dos mais usados aparelhos para a produo de ferro-gusa lquido, assim podendo aproveitar a escria na produo de cimento, os gases do alto-forno atualmente no mais despejados na atmosfera. Um alto-forno moderno tem uma produo muito alta.

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Alto Forno

RESUMO DO PROCESSO: 1. Minrio de ferro, mais carvo coque e mais o fundente CaCo3 (Carbonato de Clcio) so adicionados no Alto Forno para produo do Ferro Gusa. Este ser levado para aciaria LD onde ocorre a reduo do teor de carbono e ajuste de outros elementos para produo de ao. O ao vazado em lingoteiras sendo em seguida desbastado em laminadores desbastadores dando origem as chapas grossas. O Ferro Gusa tambm entregue em fundies, onde fundido em fornos Cubil para fabricar ferros fundidos. O metal liquido vazado em moldes de areia com resina com uma cavidade equivalente forma definitiva da pea a produzir.

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Processo: Evaporao da umidade Remoo da gua de hidratao Remoo do CO2 3MnCO3 Mn3O4+2CO2+CO 3FeCO3 Fe3O4 +2CO2+CO FeCO3 Fe O+CO2 3Fe2O3+CO 2Fe3O4+CO2 MgCO3 Mg O+CO2 MgCO3+CaCO3 Mg O+CaO+2CO2 2CO CO2+C Fe3O4+CO 3FeO+CO2 CaCO3 Ca O + CO2 FeO+CO Fe+CO2 CO2+C 2CO

Temperatura (C): 100 120 - 300 > 525 380 570 > 570 400 - 550 400 500 400 - 750 450 - 600 570 - 800 850 - 950 650 - Ts > 900 1100 1250 2Ccoque+O2 2CO Ccoque+CO2 2CO Ccoque+1/2O2 CO 1800 2000 2000 1450 1550

H (KJ/Kmol): + 6,490 + 7,955 + 363,791 + 236,973 + 112,206 - 52,854 + 114,718 + 304,380 - 172,467 + 36,463 + 177,939 - 17,128 + 172,467 + 921,1 (kg slag) + 1046,7 (kg Fe) - 406,120 + 172,467 - 116,83

Reduo do Fe2O3 a Fe3O4 Remoo do CO2 Decomposio do CO Reduo do Fe3O4 a FeO Remoo do CO2 Reduo do FeO a Fe Reao de Boudouard Fuso da escria primria Dissoluo do CaO na escria primria Combusto do C coque

Minrio Coque Zona Granular

Zona de Amolecimento e Fuso Zona de Coque Ativa Camada em Amolecimento e Fuso Zona de Combusto Cadinho Zona de Gotejamento

Zona de Coque Estagnado

ALTO FORNO 16

As condies termodinmicas existentes no interior do reator promovem a incorporao de algumas impurezas ao gusa lquido e separa outras na fase escria e gs.

MINRIO Fe2O3 MnO2 G S Mn3O4 P2O5 G S K2O G S SiO2 CaO Al2O3

COQUE

C G S

Fe3O4

FeO

MnO

FeOFe (99%)

MnOMn (70%)

P2O5P (95%)

K2O

SiO2 CaOSi (10%)

Al2O3

ESCRIA GUSA C (12%)

PR-TRATAMENTO DO GUSA

De forma a maximizar a produtividade do conversor LD ou Forno a Arco Eltrico (EAF) e minimizar os custos de refino importante realizar um pr-tratamento do gusa antes do refino. O pr-tratamento do gusa influi: - remoo de enxofre - remoo de Silcio - remoo de fsforo - processos para reduo do teor de V, Cr, Ti e Mn. DESSULFURAO DO GUSA

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O Carbureto de Clcio utilizado para a remoo de enxofre do gusa, em carros-torpedo ou panelas. aplicado micro pulverizado, atravs de processo de injeo profunda por lana refratria fixa ou rotativa, usando o nitrognio como gs de transporte, ou granulado em adio direta por lanamento. O uso do Carbureto de Clcio traz como benefcios, baixo tempos de tratamento, altas taxas de remoo de enxofre, baixas perdas trmicas e metlicas, proporcionando alta repetibilidade de resultados e permitindo a obteno de produtos mais nobres e de maior valor agregado, a custos competitivos.

DESSULFURAO DO AO

O Carbureto de Clcio utilizado para a remoo de enxofre no ao em fornos-panela. aplicado micro pulverizado ou granulado, atravs de processos de injeo por lanas (Nitrognio como gs de transporte) ou adio direta por lanamento.

Devido ao excelente potencial de dessulfurao do carbureto de clcio, pode-se usar sucata menos nobre e, portanto de mais baixo custo, tanto no LD, quanto nos fornos eltricos. PRODUO DO AO LIQUIDO

A produo do ao lquido se d atravs da oxidao controlada das impurezas presentes no gusa lquido e na sucata. Este processo denominado refino do ao e realizado em uma instalao conhecida como aciaria. O refino do ao normalmente realizado em batelada pelos seguintes processos: -Aciaria a oxignio Conversor LD (carga predominantemente lquida). -Aciaria eltrica Forno eltrico a arco FEA (carga predominantemente slida).

CONVERSOR LD

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Responsvel por cerca 60% (540 milhes ton/ano) da produo de ao lquido mundial, a tecnologia continua a ser a mais importante rota para a produo de ao, particularmente, chapas de ao de alta qualidade. Processo industrial teve incio em 1952, quando o oxignio tornou-se industrialmente barato. A partir da o crescimento foi explosivo.Permite elaborar uma enorme gama de tipos de aos, desde o baixo carbono aos mdia-liga.

ACIARIA ELTRICA

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Processo industrial comeou no incio do sculo XX. Inicialmente, o forno eltrico era considerado, sobretudo como um aparelho para a fabricao de aos especiais, inoxidveis e de alta liga. Atualmente, ele tem sido cada vez mais utilizado na fabricao de ao carbono. Processo reciclador de sucata por excelncia; no h restrio para proporo de sucata na carga. A participao do ao eltrico no mundo vem crescendo substancialmente nas ltimas dcadas.

METALURGIA DE PANELA

Aps o refino, o ao ainda no se encontra em condies de ser lingotado. O tratamento a ser feito visa os acertos finais na composio qumica e na temperatura. Portanto, situa-se entre o refino e o lingotamento contnuo na cadeia de produo de ao carbono. Desta forma o FEA ou o conversor LD pode ser liberado, maximizando a produo de ao. - Forno de panela - Desgaseificao FORNO DE PANELA As seguintes operaes podem ser executadas: - Homogeneizao do calor. - Ajuste da composio. - Ajuste da temperatura do ao. -Desoxidao remoo do oxignio residual do ao e cria condies termodinmicas para a adio de elementos de liga (os desoxidantes mais comuns so ferros-liga, escolhidos em funo do ao a ser fabricado (FeMn, FeSiMn) e Alumnio. -Dessulfurao com escria sinttica ou injeo de ps; -Desfosforao.

DESGASEIFICAO uma operao que tem como objetivo a remoo de gases residuais do ao (hidrognio, nitrognio e oxignio) e secundariamente auxilia na remoo de incluses.

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Na siderurgia, a desgaseificao processada de duas maneiras: - Desgaseificao vcuo - Desgaseificao com sopro de argnio LINGOTAMENTO

Toda a etapa de refino do ao se d no estado lquido. necessrio, pois, solidific-lo de forma adequada em funo da sua utilizao posterior. O lingotamento do ao pode ser realizado de trs maneiras distintas: - DIRETO: o ao vazado diretamente na lingoteira; - INDIRETO: o ao vazado num conduto vertical penetrando na lingoteira pela sua base; - CONTNUO: o ao vazado continuamente para um molde de cobre refrigerado gua.

LINGOTAMENTO CONTINUO

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O lingotamento contnuo um processo pelo qual o ao fundido solidificado em um produto semi-acabado, tarugo, perfis ou placas para subseqente laminao. Antes da introduo do lingotamento contnuo, nos anos 50, o ao era vazado em moldes estacionrio (lingoteiras). Sees possveis no lingotamento contnuo (mm)

CONFORMAO A grande importncia dos metais na tecnologia moderna deve-se, em grande parte, facilidade com que eles podem ser produzidos nas mais variadas formas, para atender a diferentes usos. Os processos de fabricao de peas a partir dos metais no estado slido podem ser classificados em: -Conformao Mecnica: volume e massa so conservados; -Remoo Metlica ou Usinagem: retira-se material para se obter a forma desejada;

CONFORMAO Os processos de conformao mecnica podem ser classificados de acordo com o tipo de fora aplicada ao material: -Compresso direta: Forjamento, Laminao;

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-Compresso indireta: Trefilao, Extruso, Embutimento;

-Trativo: Estiramento;

-Dobramento: Dobramento;

-Cisalhamento: Corte.

TIPOS DE CONFORMAO

Extruso: Processo no qual um bloco de metal tem reduzida sua seo transversal pela aplicao de presses elevadas, forando-o a escoar atravs do orifcio de uma matriz.

Trefilao: Processo que consiste em puxar o metal atravs de uma matriz, por meio de uma fora de trao a ele aplicada na sada dessa mesma matriz.

Forjamento: Processo de transformao de metais por prensagem ou martelamento ( a mais antiga forma de conformao existente).

Laminao: Processo de deformao plstica no qual o metal tem sua forma alterada ao passar entre rolos e rotao. o de maior uso em funo de sua alta produtividade e preciso dimensional. Pode ser a quente ou a frio.

TIPOS DE CONFORMAO

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Forjamento

Laminao

Dobramento

Extruso

Trefilao

Matriz

Estiramento Embutimento Profundo Cisalhamento

LINGOTAMENTO E LAMINAO

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Nomenclatura para Aos

AO AO CARBONO E AOS LIGASistema de classificao e Propriedades Mecnicas 25

Os aos podem ser classificados em grupos, em base de propriedades comuns: a- composio, como aos-carbono e aos-liga; b- processo de acabamento, como aos laminados a quente ou aos laminados a frio; c- forma do produto acabado, como barras, chapas grossas, chapas finas, tiras, tubos ou perfis estruturais. Os aos-liga so freqentemente classificados de acordo com o principal ou principais elementos de liga presentes.

Uma das classificaes mais generalizadas - e que, inclusive, serviu de base para o sistema adotado no Brasil - a que considera a composio qumica dos aos e, dentre os sistemas conhecidos, so muito usados os da :

- "American Iron and Steel Institute -AISI" - "Society of Automotive Engineers - SAE".

e

A Tabela, adaptada do DATABOOK - 1980, editado pela American Society for Metals (101) mostra a designao adotada pela AISI e SAE que coincidem e a do "Unifield Numbering System - UNS", devido "American Society for Testing Materials - ASTM" e SAE. Nesse sistema, as letras XX ou XXX correspondem a cifras indicadoras dos teores de carbono. Assim, por exemplo, nas designaes AISI-SAE, a classe 1023 significa ao-carbono com 0,23% de carbono em mdia e na designao UNS, a classe G10230, significa o mesmo teor de carbono. Por outro lado, os dois primeiros algarismos diferenciam os vrios tipos de aos: - entre si, pela presena ou somente de carbono como principal elemento de liga; (alm, claro, das impurezas normais silcio, mangans, fsforo e enxofre), ou - de outros elementos de liga, como nquel, cromo, etc., alm do carbono.

Assim, quando os dois primeiros algarismos so 10, os aos so simplesmente ao carbono 10XX; quando so 11, os aos so de usinagem fcil com alto enxofre 11XX; quando so 40, os

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aos so ao molibdnio, com 0,25% de molibdnio em mdia e assim em sucessivamente, 40XX.

Os aos de alto teor em liga, como os inoxidveis, refratrios, para ferramentas, etc., so classificados de modo diferente, como se verificar por ocasio de discusso dos mesmos.

A norma DIN 17100, da Alemanha, classifica os "aos para construo em geral", por exemplo, em funo o seu limite de resistncia trao.

Assim, a designao St 42 corresponde a um ao com limite de resistncia trao entre 42 e 50 kgf/mm2 (410 e 490 MPa), St 60, limite de resistncia trao entre 60 e 72 kgf/mm2 (590 e 710 MPa).

No Brasil, a Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT, por intermdio das normas NBR 6006 (102) classifica os aos-carbono e os de baixo teor em liga segundo os critrios adotados pela AISI e SAE.

Muitos aos-liga so igualmente especificados pela sua endurecibilidade quando esse caracterstico exigido. Nesse caso, emprega-se o sufixo "H" (hardenability) para distingui-los dos tipos correspondentes que no apresentam exigncias de endurecibilidade.

Sistemas SAE, AISI e UNS de classificao dos aos.

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Designao AISI-SAE 10XX 11XX 12XX 15XX 13XX 40XX 41XX 43XX 46XX 47XX 48XX 51XX E51100 E52100 61XX 86XX 87XX 88XX 9260 50BXX 51B60 81B45 94BXX UNS G10XXX G11XXX G12XXX G15XXX G13XXX G40XXX G41XXX G43XXX G46XXX G47XXX G48XXX G51XXX G51986 G52986 G61XXX G86XXX G87XXX G88XXX G92XXX G50XXX G51601 G81451 G94XXX

Tipos de Ao

Aos-carbono comuns Aos de usinagem fcil, com alto S Aos de usinagem fcil, com alto P e S Aos-Mn com mangans acima de 1% Aos-Mn com 1,75% de Mn mdio Aos-Mo com 0,25% de Mo mdio Aos-Cr-Mo com 0,4 a 1,1% de Cr e 0,08 a 0,35% de Mo Aos-Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2 de Ni, 0,4 a 0,9% de Cr e 0,2 a 0,3% de Mo Aos-Ni-Mo com 0,7 a 2% de Ni e 0,15 a 0,3% de Mo Aos-Ni-Cr-Mo com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,2% de Mo Aos-Ni-Mo com 3,25 a 3,75% de Ni e 0,2 a 0,3% de Mo Aos-Cr com 0,7 a 1,1% de Cr Aos-cromo (forno eltrico) com 1% de Cr Aos-cromo (forno eltrico) com 1,45% de Cr Aos-Cr-V com 0,6 ou 0,95% de Cr e 0,1 ou 0,15% de V mn. Aos-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,2% de Mo Aos-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,25% de Mo Aos-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,3 a 0,4 de Mo Aos-Si com 1,8% a 2,2% de Si Aos-Cr com 0,2 a 0,6% de Cr e 0,0005 a 0,003% de boro Aos-Cr com 0,8% de Cr e 0,0005 a 0,003 de boro Aos-Ni-Cr-Mo com 0,3% de Ni, 0,45% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro Aos-Ni-Cr-Mo com 0,45% de Ni, 0,4% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro

De acordo com a norma 6006 da ABTN, os aos-carbono so assim chamados quando os teores de silcio e mangans no ultrapassam os teores de 0,6% (Si) e 1,65% (Mn). Neles, possa ainda ser especificado teor mximo de 0,1% de alumnio, teor mnimo de boro de 0,0005%, teor mximo de cobre de 0,3% ou ainda um teor mximo de chumbo de 0,35%. Se forem adicionados outros elementos como selnio, telrio e bismuto, para melhorar as caractersticas de usinabilidade dos aos, estes so ainda considerados aos-carbono, do mesmo modo que o ao com adio de nibio.

Ainda de acordo com a ABTN, os aos-liga so os aos em que possuem outros elementos de liga, no se considerando como tais os elementos adicionados para melhorar sua usinabilidade.

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A soma de todos esses elementos, inclusive carbono, Si, Mn, P e S no pode ultrapassa 6%. Os aos sero considerados ligados quando seus teores ultrapassarem Si > 0,6 % , Mn > 1,65% e Al > 0,1%.

- Incluses no-metlicas

Como se viu, as impurezas normais so o fsforo, o enxofre, o mangans, o silcio e o alumnio. A maior parte delas reage entre si ou com outros elementos no-metlicos como o oxignio e, eventualmente, o nitrognio, formando as chamadas incluses no metlicas. A formao dessas incluses se d, em grande parte, na fase final de desoxidao os aos.

Dentre as impurezas, o Fsforo foi considerado, por muito tempo, um elemento exclusivamente nocivo, devido fragilidade a frio que confere aos aos, sobretudo nos aos duros, de alto carbono e quando seu teor ultrapassa certos limites. As porcentagens mximas admissveis do Fsforo aos valores abaixo, conforme as aplicaes consideradas.

Trilhos

eixos

estrutura de pontes

estrutura de construo e barras de concreto armado 0,10%

0,04%

0,05%

0,06%

Aspecto microgrfico de ao doce forjado mostrando a textura chamada ghost lines. Ataque: reativo de nital. Aumento: 100 X

Para concluir, no que se refere as impurezas e incluses no-metlicas, pode-se tirar as seguintes concluses:

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1 - O enxofre, o fsforo, o oxignio, o hidrognio so elementos considerados indesejveis sob o ponto de vista de qualidade de ao.

2 - O mangans, o silcio e o alumnio, os trs agindo como desoxidantes e mangans tambm como desulfurante so elementos de um lado benficos, mas de outro lado prejudiciais pelas incluses que formam de sulfetos, silicatos e aluminatos.

3 - O conceito "ao limpo", ou seja, isento de incluses relativo, porque, sob o ponto de vista tcnico impossvel um ao totalmente isento de incluses.

4 - Outro fator importante a considerar a deformabilidade das incluses: os xidos FeO, MnO e (FeMnO) apresentam alta deformabilidade temperatura ambiente e perdem gradualmente esse caracterstico na faixa de temperaturas de 400 a 800C.

Propriedades Mecnicas dos aos-carbono

As propriedades mecnicas dos aos-carbono so afetadas, em princpio, pelos dois fatores seguintes:

-

Composio qumica: Nos aos esfriados lentamente, quanto maior o teor de carbono, maiores sero as propriedades mecnicas e menores a ductilidade tenacidade (resistncia ao choque). (alongamento) e

-

Microestrutura: Depende conforme se trate de ao hipoeutetide, hipereutetide ou eutetide.

Propriedades Mecnicas dos aos-carbono

Estado ou condio do ao, sob o ponto de vista de Fabricao: 30

Se fundido;

Trabalhado a quente (laminado, forjado, etc.)

Trabalhado a frio (encruado);

Tamanho de gro austentico;

Velocidade de esfriamento;

Efeito do encruamento obtido por laminao a frio sobre as propriedades de trao de ao de baixo carbono.

Propriedade

Estado recozido

Encruado com 30% de reduo 11,0 (110) 52,5 (515) 56,5 (555) 22,0 58,0

Encruado com 60% de reduo

Limite de proporcionalidade de kgf/mm2 (MPa) Limite de escoamento kgf/mm2 (MPa) Limite de resistncia trao, kgf/mm2 (MPa) Alongamento em 4", % Estrico, %

19,0 (190) 24,0 (240) 41,0 (400) 41,7 65,8

7,0 (70) 67,5 (665) 68,5 (675) 10,5 43,0

Aspecto comum de ao moldado, no estado bruto de fuso. Parte da estrutura acicular e parte rendilhada

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Aspecto microgrfico de ao duro encruado por martelamento a frio. Ataque: reativo de nital. Aumento: 200 X.

Efeito do encruamento obtido por laminao a frio sobre as propriedades de trao de ao de baixo carbono.

Propriedade Limite de proporcionalidade de kgf/mm2 (MPa) Limite de escoamento kgf/mm2 (MPa) Limite de resistncia trao, kgf/mm2 (MPa) Alongamento em 4", % Estrico, %

Estado recozido

Encruado com 30% de reduo

Encruado com 60% de reduo

19,0 (190)

11,0 (110)

7,0 (70)

24,0 (240)

52,5 (515)

67,5 (665)

41,0 (400) 41,7 65,8 22,0

56,5 (555)

68,5 (675) 10,5

58,0

43,0

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Efeito do encruamento sobre a ductilidade do ao.

Influncia do encruamento sobre as curvas tenso-deformao em ao de baixo carbono.

Efeito do tipo de estrutura sobre as propriedades de trao do ao. 33

Ao com 1% de carbono Ferro Propriedade comercialmente puro Limite de escoamento, kgf/mm2 (MPa) Limite de resistncia trao, kgf/mm2 (MPa) Alongamento, % Estrico, % Dureza Brinell 40-44 70-75 80-85 10 12-15 300 31 57 156 33 45 540 29,4 (284) 105,0 (1030) 54,6 (536) 182,0 (1785) 18,2 (182) 59,5 (585) 28,0 (280) Perltico Coalescido Temperado e Revenido

Propriedades mecnicas dos micros constituintes dos aos

Limite de Constituinte resistncia trao kgf/mm2 (MPa) Ferrita 35 (340)

Alongamento em 2, % cerca de 40

Dureza Brinell

Poder endurecedor (com a tmpera) nenhum

90

Perlita

85 (830)

cerca de 10

250/300

mximo nenhum

Cementita

3 (30)

0

650

Aos-liga; efeitos dos elementos de liga; propriedades mecnicas.

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A introduo de outros elementos de liga nos aos-carbono e feita quando se deseja um ou diversos dos seguintes efeitos:

a) aumentar a dureza e a resistncia mecnica;

b) conferir resistncia uniforme atravs de toda a seco em peas de grandes dimenses;

c) diminuir o peso (conseqncia do aumento da resistncia), de modo a reduzir a inrcia de uma parte em movimento ou reduzir a carga-morta em um veculo ou numa estrutura;

d) conferir resistncia corroso;

e) aumentar a resistncia ao calor;

f) aumentar a resistncia ao desgaste;

g) aumentar a capacidade de corte;

h) melhorar as propriedades eltricas e magnticas

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