engenharia de processos - apuntes siderurgia generalidades 1

Disciplina: MIN238 – 11 ENGENHARIA DE PROCESSOS

(Mineração)

Prof. Miguel G. P. Sánchez - I - Semestre de 2010

Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas

Departamento de Minas

INTRODUÇÃO À SIDERURGIA

1 Definição: Siderurgia é a parte da tecnologia metalúrgica que engloba os processos de obtenção de produtos à base de ferro (gusa, ferro esponja, aços comuns e especiais), na forma de graneis (ferro-esponja), lingotes (gusa), laminados planos, tubulares e perfilados (aços comuns e especiais); com características de qualidade requeridos pelo mercado consumidor:Industria automobilística, eletro-domésticos, construção em geral, química, mecânica, petroquímica e fundições. (entre outros)

Introdução à Siderurgia

Metalurgia é o arte e ciência de obter metais dos minerais (metalurgia extrativa) e adaptar-lhes às necessidades do ser humano (metalurgia física ou metalurgia).

Homem primitivo obteve ferro dos meteoritos

< 2000 AC, sugerem que o ferro foi empregado na China e Índia

1700 AC os hititas utilizaram buracos na terra para aquecer carvão vegetal e minério de ferro para obter uma massa pastosa (reduzida ou ferro esponja), a qual era batida para desprender as impurezas e escórias e logo forjada.

Entre 1100 AC e 500 AC o conhecimento se estendeu e foi evoluindo com as contribuições de cada povo (Egipto, Grécia, Áustria, Itália, França, Espanha, .....)

No século XIV, combinam-se as tecnologias de altos fornos + alternabilidade de camadas de carvão e minério + ar insuflado, obteve-se um metal líquido (ferro gusa), este ferro resulto quebradiço, mas podia-se vazar em lingotes e logo refinado.

XV, se utiliza a força motriz da água

1785, utilização do coque

1856, Bessener / 1878 Thomas ...........


MeO + CO = Me +CO2

C + CO2 = 2CO

ee--

REDUÇÃOMe+n

Metal no Minério

Me0

Metal na forma SimplesCorrosãoCorrosão

ee--

Purificação do metal

Conformação

Extração da Mina

Beneficiamento do minério

Redução

(Minério + agente redutor)(Carvão, óleo, gás)


Fornos primitivos utilizados na produção de ferro

Fabricação de forno de secção quadrada o circular (0,5 a 0,90m

e entre 4 a 5m de altura).

Introdução à Siderurgia (pré-alto-forno)

Pré-aquecimento com carvão vegetal (CV)

Carga de minério e escória de ferro

Adesão de C.V. + contínuo soprado de ar

Nível de ferro

Destruição do forno ou sangria do ferro

Separação a martelo da escória e ferro esponja

Ferro Gusa

Laminação

Balística, grades

Carburização do ferro a temperaturas entre 1000 e 1300 °C:

3Fe + 2 CO = Fe3C + CO2

Temperatura de fusão da fundição: 1150 a 1350°C

Temperatura do forno: 1300 a 1400°C

a) Fe3O4 + ganga separação manual da ganga


b) Fe3O4 concentrado + carvão vegetal carregados em forno de argila

c) Combustão incompleta do carvão redução dos óxidos ferro metálico

d) Precipitação de uma escória rica em FeO (60%) e SiO2 retirada e reaproveitada

e) Manutenção pelo menos 24 horas a temperaturas entre 1100 e 1150° C

f) Ruptura das paredes de argila obtenção de massa esponjosa de ferro e impurezas (ganga + restos de carvão)

g) Trituração (martelo) Separação manual do carvão e ganga moagem fina (almofariz) separação de areia, escória e carvão

h) Ferro esponja é colocado em um crisol (fechado para evitar oxidação) 1000 ° C bloco de ferro forjados recosido ao ar forjado e temple produtos

Obtenção de fundição em fornos de maior altura (3, 5 e 7m)

Material % aprox. de carbono

Temperatura de fusão (°C)

Ferro 0,10 1.539

Fe2O3 ; Fe3O4 1.583 a 1.597

Escória silicatadas de ferro 1.180 a 1.205

FeO 1.371

Aço 1,00 1.465

Ferro Gusa (Arrabio, Fundição, Pig Iron) 3,50 1.230

Introdução à Siderurgia (primitivo alto forno)

< carga de carvão

< altura de cargaAlta temperatura

Redução do minério

> Absorção de carbono

Ferro esponja 5 a 50Kg, < CFundição carburada

Ferro Gusa

300 a 500Kg,

> C

Redução direta

> carga de carvão

> altura de carga

> soprado

Refino em fornos baixos

< C


Obtenção de ferro em dois etapas:

1. Fundição em alto forno.

Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2 (redução do minério e obtenção do ferro)

3Fe + 2 CO = Fe3C + CO2 (Carburização do ferro e fundição)

2. Obtenção de ferro em estado pastoso por afino oxidante da fundição em fornos baixos de afino. A oxidação é produzida pelo oxigênio do ar e do FeO da escória.

C + O2 = CO2 (oxidação do carbono da fundição pelo oxigênio do ar)

C + FeO = CO + Fe (Oxidação do carbono da fundição pelo oxido de ferro da escória)

Nos fornos baixos, a temperatura alcançava > 1.400°C onde a fundição gotejava, escoando às áreas de maior temperatura (janelas de soprado) oxidando-se a fundição diminuição do “C” massa metálica pastosa.

Nos procedimentos de redução-direta, o ferro mantinha-se durante todo o processo na forma pastosa (t < 1539°C)


Obtenção de ferro durante afino

1. Em seqüência de redução: Si Mn Fe

2. Mas por abundancia:

2 Fe + O2 = 2 FeO (desde o inicio)

C + FeO = CO + Fe

Si + 2 FeO = SiO2 + 2 Fe

Mn + FeO = MnO + Fe

3. A Si, alongava o período de formação da fundição e parte do Fe passava à escória: fundição branca (<0,80% Si) e fundição cinza (aprox. 3% Si).

4. O Manganês produzia escórias pouco reativas.


Ferro Gusa (ferro de primeira fusão)

Atualmente corresponde à maior parte do ferro empregado na produção de aço.

Obtido como primeira fusão da redução de óxido de ferro (minério, sinter e/ou pellets) em alto-forno.

Contem em torno de 4% de carbono “C” sob forma de cimentita (Fe3C) Possui como principais impurezas o silício (0,3 a 2%), o enxofre (0,01 a 1%), o fósforo (0,05 a 2%) e o manganês (0,5 a 2%).

A principal característica física é ser duro, porém com baixa resistência mecânica com poucas aplicações onde não se precise muito esforço mecânico.

Coque + Fundentes

Escória de resíduo

Escória de resíduo

Minério de Ferro

Beneficiamento

Alto teor Baixo teor

finosGraúdos (lump)

Sinterização, Pelotização

Rejeitos

Redução em Alto Forno

Aço S-M básico

Conduto de pó

Fu

maç

a

RefinamentoForno Siemens – Martin(open hearth furnace)

Refinamento em Conversora oxigeno soprado (LD) ou

Bessemer

Sucata

Aço LD ou Bessemer

GUSAGUSA

Fluxograma de uma Usina Integrada

Sid

eru

rgia

- P

roce

sso

sS

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urg

ia -

Pro

cess

os


A Industria Siderúrgica esta compostas por três tipos de empresas produtoras de aço:

- Usinas Integradas: operam todas as fases do processo – preparação, redução, refino e conformação.

- Semi-integradas: processam sucata, gusa ou ferro-esponja, nas fases de refino e conformação.

- Não-integradas: operam na fase de redução

Preparação Redução Refino Conformação


INDUSTRIA SIDERURGICA

INTEGRADA SEMI – INTEGRADA

Minério

Redução

Aço liquido

Moldagem

Conformação

Redução

Aço liquido

Moldagem

Conformação

Processos de redução de minério de ferro

Processos de conformação mecânica

Usina Integrada a Coque - Fluxograma Simplificado

FerroGusa

Min

éri

o d

e F

err

o Granulado AF

E / OU

SINTERIZAÇÃO

SinterSinter Feed

Pelota AF

E / OU

Carvão

COQUERIA

Coque

Fundente

PLACAS. Bobinas. Tubos c/ Costura. Chapas

TARUGOS. BARRAS. FIO MÁQUINA. VERGALHÕES

BLOCOS. PERFIS ESTRUTURAIS. TRILHOS E TALHAS

ALTOFORNO LINGOTAMENTO

Aço Líquido

CONVERSOR

LAMINAÇÃO

Usina Integrada Redução Direta - Fluxograma Simplificado M

inéri

o d

e F

err

o

Pelota RD

E / OU

Granulado RD

FerroEsponja

Sucata

PLACAS

. BOBINAS

. TUBOS C/ COSTURA

. CHAPAS

TARUGOS

. BARRAS

. FIO MÁQUINA , VERGALHÕES

BLOCOS

. PERFIS ESTRUTURAIS

. TRILHOS E TALHAS

Gás Natural

REFORMADOR

Gás Redutor

REDUÇÃODIRETA FORNO

ELÉTRICO

Aço Líquido

LINGOTAMENTO

LAMINAÇÃO

Tipos básicos de fornos:

CARGA MISTA CHAMA DIRETA

I Forno de cuba IX Fornos de reverbero

II Fornos rotativos X Fornos de tanque

III Convertidores XI Fornos de câmara

RECIPIENTE FECHADO XII Fornos de galeria

IV Fornos de mufla XIII Fornos rotativos

V Fornos de galeria XIV Fornos de andares

VI Fornos de potes XV Fornos de cuba

VII Fornos de retortas CALDEIRA ABERTA

VIII Caldeiras de vapor XVI Fornos de fusão e concentração


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