INDÚSTRIA SIDERÚRGICAINDÚSTRIA SIDERÚRGICA

MINÉRIO DE FERROMINÉRIO DE FERROFinosFinos

GranuladosGranuladosPelotasPelotas

SUCATASUCATAAço RecicladoAço Reciclado

Produtos Manufaturados - Indústria Metal-MecânicaProdutos Manufaturados - Indústria Metal-Mecânica

PRODUTOS PRIMÁRIOS DE AÇOChapasBarras

VergalhõesPerfis

TIPOS GRANULOMÉTRICOS GERADOS TIPOS GRANULOMÉTRICOS GERADOS NA MINERAÇÃO DE FERRONA MINERAÇÃO DE FERRO

GRANULADO ( > 6 mm)

PELLET FEED ( < 0,15 mm)

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

SINTERIZAÇÃO PELOTIZAÇÃO

SINTER PELOTA

REATORES DE REDUÇÃO

Formas de se obter o ferro metálico:

•por fornos de redução direta - normalmente se utiliza-se

como redutor o gás e como fonte de calor a energia elétrica.

A característica principal destes fornos é que a temperatura

utilizada no interior dos mesmos é baixa (~ 1100°C)

portanto, obtém-se o ferro esponja no estado sólido.

•por fornos de redução indireta - no seu interior as

temperaturas (~ 1900 °C) produzindo-se ferro gusa líquido (~

1500 °C) e que devido ao elevado teor de carbono (cerca de

4,0%) devera ser tratado posteriormente para a produção do

aço.

SIDERURGIA VIA ALTO FORNOSIDERURGIA VIA ALTO FORNO

SINTER FEED

GRANULADO /PELOTAS

CARVÃO

SINTERIZAÇÃO PLANTA DEOXIGÊNIO

ALTOFORNO

SUCATA

ACIARIA LD

COQUERIA

FERRO GUSA(Líquido)

(SINTER)

(COQUE)

AR

RESFRIADORMÁQUINA DE

SINTERIZAÇÃO

FORNOS DA COQUERIA

ALTO FORNO

FERRO GUSA E ESCÓRIA

RESFRIADOR

REGENERADOR DE CALOR

MINÉRIO DE FERRO

CARVÃO COQUEIFICÁVEL

SINTER PELOTAS

GRANULADOCOQUE

SIDERURGIA VIA ALTO FORNOSIDERURGIA VIA ALTO FORNO

SIDERURGIA VIA REDUÇÃO DIRETASIDERURGIA VIA REDUÇÃO DIRETA

PELOTAS /GRANULADOS

ENERGIAELÉTRICA

SUCATA

ACIARIA ELÉTRICA

REATOR

DE

REDUÇÃO

DIRETA

GÁSNATURAL

CH4FERRO

ESPONJA (Sólido)

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 A COQUEUSINA INTEGRADA A COQUE

Min

éri

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

USINA INTEGRADA REDUÇÃO DIRETAUSINA INTEGRADA REDUÇÃO DIRETA

PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETA

São processos metalúrgicos para obtenção de ferro a partir

de seus minérios, sem que haja a fusão da carga metálica

durante o processo. O produto de redução direta de minérios

de ferro é denominado "ferro esponja".

FERRO ESPONJA

É um produto metálico com:

- 85 a 95% de Fe

- 0,1 a 1,0% de C, podendo chegar a 2,0%C.

Tem aspecto esponjoso e é obtido no estado sólido

diretamente do minério de ferro a temperatura aproximada de

1100°C.

Generalidades:

Os modernos processos de fabricação se diferenciam dos antigos por:

•Sua grande produção;

•Alto grau de mecanização;

•Uso de gás natural em quase todos os processos, seja como combustível, seja como gás redutor.

Vantagens de utilização do ferro esponja:

Na fabricação de aço em fornos elétricos:

•Trata-se de ferro metálico obtido diretamente do minério em uma só operação, a preços relativamente reduzidos se comparado a grandes siderúrgicas;

Vantagens de utilização do ferro esponja:

•é um produto que substitui em parte a sucata, que esta cada vez mais escassa e preços bastantes irregulares;

•Com sua fabricação tende-se a reduzir o emprego do coque que é necessário nos Alto-Fornos, pois este redutor necessita de carvão mineral coqueificável e cujas reservas estão cada vez mais escassas.

Vantagens de utilização do ferro esponja:

•0 ferro esponja e um processo altamente viável em países pouco industrializados, com minérios de alta qualidade, com escassez de sucata e com gás natural em abundância como:

BRASIL, MÉXICO, VENEZUELA.

PROCESSO CLÁSSICO DE FABRICAÇÃO DE

AÇO

•Produto intermediário Gusa

- 2 a 4,5 %C

•Necessidade de oxidação

para 0,40 a 0,10 %C no

mínimo.

PROCESSOS EMPREGADO EM MINI-ACIARIA PARA

FABRICAR AÇO

Tem-se a grande vantagem de eliminar o

convertedor LD e produzir aço com fornos elétricos

a partir minérios de ferro (oxidação limitada...)

PROCESSO REDUÇÃO DIRETA

•Produto não tem

produto interme-

diário (ou seja não

produz gusa)

•O produto sai com

baixo C. eliminando

grande parte da

oxidação.

PRINCIPAIS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

DE Fe-ESPONJA

a) Processos de retorta

- HYL

- HOGANA

b) Processos em fornos rotativos

- KRUPP - RENN

- SLIRN

- STEICO - LURGI

- DORED

PRINCIPAIS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

DE Fe-ESPONJA

c) Processos com leitos fluidizados

- FERRO.H

- ESSO-LITTLE

- NU-IRON

- HIB-NOVALFER

d) Processos com fornos de cuba

- WIBERG

- MIDREX

- PUROFER

- ARMCO.

ALGUNS PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETA

ALGUNS PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETA

PRINCIPAL CARACTERÍSTICA – USO DE GASES REDUTORES

1. PROCESSO HOGANNAS

•É o mais antigo processo de obtenção de ferro esponja que se utiliza na atualidade.

•Foi desenvolvido por Sieurim, em 1911, na usina de Hôgannas, SUÉCIA.

•Várias instalações deste tipo na Suécia possuíam em media capacidade de produção de 20.000 t/ano cada.

•É um processo de fabricação relativamente caro.

•0 Ferro esponja Hogannas tem aplicação como carga em fornos elétricos

•Em geral tem aplicação onde se exige um ferro esponja de alta pureza.

PROCESSO HOGANAS

PROCESSO DE FABRICAÇÃO

- Os finos de minério de ferro são carregados verticalmente dentro de potes de proteção de material refratário (carbeto de silício).

•A parede interior do pote fica protegida por uma camada de mistura redutora, (carvão e coque + calcário) de modo a evitar a aderência do ferro esponja na parede cerâmica, e fornecer gás redutor.

•Os tubos refratários são colocados em carrinhos e introduzidos em fornos túneis

(comprimento de 165m para 20.000 t/ano)

•Os fornos túneis são aquecidos a gás natural ou gasogênio;

•Os tubos refratários são aquecidos até - 1200ºC;

•Durante o aquecimento o minério é reduzido a ferro sem fusão.

•Durante a reação parte do redutor e consumido e o restante protege o ferro-esponja contra reoxidação no período de resfriamento.

O CO é proveniente das seguintes fontes:

(i)Calcário

CaCO3 Δ CaO(s) + CO2(g)

CO2(g) + C(S) 2CO(g)

(ii) produto da combustão do carbono

C(s) + O2(g) CO2(g)

CO2(g) + C(S) 2CO(g)

REDUÇÃO NORMAL

Fe2O3(s) + CO(g) 2Fe3O4(s) + CO2(g)

Fe304(s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g)

FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)

•O CO funciona como redutor;

•O CO funciona como combustível - queima ao sair dos tubos refratários

•O resfriamento dos tubos é no final do túnel (onde o ar de combustão é pré-aquecido)

•Os tubos deixam o forno túnel à temperaturas C 150°C

•são descarregados / ferro britado e compactado, coque - recirculado

CONSUMO DE COMBUSTÍVEL

•Redutor - 530 kg coque/t Fe;•Energia elétrica para acionar equipamentos auxíliares 75

Kwh/t.

FASES DO PROCESSO HOGANNAS

•Período de secagem e preaquecimento até T- 1200°C;•Duração 4 dias;•Período de redução (4 dias);•Período de resfriamento (4 dias);•TOTAL 12 dias.

VANTAGENS DO PROCESSO HOGANNAS

•Os minérios finos podem ser tratados diretamente sem necessidade de aglomeração prévia;

•Se consegue alta metalização;

•Pode-se utilizar minérios com granulometria inferior 25mm;

•Pode-se usar carvões de baixa qualidade;

•Pode-se controlar o teor de enxofre, se necessário, com adições de cal, dolomita calcinada na carga.

DESVANTAGENS

•Alto custo - alto preço dos tubos refratários;

•alto custo de mão-de-obra (necessita de 27 homens para produzir 40.000 t/ano);

•Difícil mecanização;

•Instalação de pequena capacidade e altos custos.

FERRO ESPONJA HOGANNAS

Composição:

Fe total 97%

Fe metálico 93%

C 0,25%

P 0,010%

S 0,010%

Ganga 2,0%

2. PROCESSO WIBERG

• Desenvolvido em 1918 em Soederfers, Suécia, por Martin Wiberg;

• A redução do mineral é feita num forno vertical de Cuba;

• Em seu interior (forno) o mineral entra em contato com gases redutores (CO(g) e H2(g) );

INSTALAÇÕES DO PROCESSO WIBERG

CARBURADOR (produz gás redutor);

TORRE DE DESSULFURAÇÃO;

FORNO DE REDUÇÃO.

Processo wiberg-soderfors

CARBURADORTORRE DE DESSULFURAÇÃO

FORNO DE REDUÇÃO

CARBURADOR (produz gás redutor);

• forno de cuba vertical contendo coque ou carvão vegetal;

• o coque/carvão vegetal entram no forno pela parte superior;

• os gases utilizados no forno de redução entram pela parte superior do carburador;

• composição de entrada (48% CO, 28% CO2, 20% H2 e 10% H2O);

• O gás flui de cima para baixo;

CARBURADOR (produz gás redutor);

• o gás é aquecido por pares de eletrodos inclinados com tensão entre 110 e 220 V;

• adiciona-se H2O no carburador para gerar H2;

H2O + C H2 + CO

CO2 + C 2CO

• o gás sai pela parte inferior do carburador a ~1100º C

60% CO, 3,0% CO2, 2,0% H2O, 25% H2.

Processo wiberg para 20000 t

TORRE DE DESSULFURAÇÃO

• forno de cuba vertical com refratário dolomítico;

• serve para absorver parte do S do gás que sai do carburador;

• carrega-se na parte superior a dolomita;

• o gás do carburador entra na parte inferior e sai na superior em contra corrente com a dolomita;

• o dolomito calcinado sai na parte inferior da torre com ~5 a 7% de S na forma de CaS e MgS.

• o consumo de dolomita é de cerca de 60kg/t de Fe;

Suficiente para garantir que o %S no Fe esponja não ultrapasse 0,002% a 0,004%;

FORNO DE REDUÇÃO

• forno vertical de cuba;

• o minério é carregado no parte superior do forno e é pré-aquecido com a queima de parte do gás ascendente (~1/4 do forno) – injeta ar;

• o gás proveniente da torre de dessulfuração entra no forno pela parte inferior a ~ 1000 ºC;

• 75% do gás ascendente é desviado para o carburador na metade do forno;

• 25% do gás restante segue reduzindo o minério, e é queimado para pré-aquecimento do minério.

• o gás queimado para aquecimento do minério tem a seguinte composição: 11%CO2, 4,5%H2O, 15%O2 e 65%N2

REGIÕES DO FORNO DE REDUÇÃO PROCESSO WIBERG

1) Zona de pré-aquecimento• parte superior do forno;• minério é pré-aquecido pela queima do gás ascendente;• temperatura de pré-aquecimento T ~ 600º C

2) Zona de pré-redução• situada na parte superior imediatamente abaixo da zona

de pré-aquecimento

Reações

3Fe2O3(s) + CO(g) 2Fe3O4(s) + CO2(g)

3Fe2O3(s) + H2(g) 2Fe3O4(s) + H2O(g)

Fe3O4(s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g)

Fe3O4(s) + H2(s) 3FeO(s) + H2O(g)

TEMPERATURAS ~800 ºC

REGIÕES DO FORNO DE REDUÇÃO PROCESSO WIBERG

3) Zona de Redução

•Temperaturas ~ 1000 a 1200 °C;•Reações FeO(s) + CO(g) = Fe(s) + CO2(g)

FeO(s) + H2(g) = Fe(s) + H2O(g)

4) Zona de resfriamento

• situada na parte inferior do forno;• a temperatura do Fe esponja baixa ~ 150º C;• a parede do forno e resfriada com H2O.

CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO WIBERG

• pode-se usar sinter, pelotas ou minério bitolado

• granulometria do minério 25 - 80mm

• % Fe > 65%

• % de P o mais baixo possível

• consumo de coque ~ 200 - 230 kg/t Fe

• consumo de eletricidade ~ 900 - 1000 kwh/t Fe

VANTAGENS DO PROCESSO

a) baixo investimento de capitalb) Processo contínuoc) Fácil mecanização

DESVANTAGENSa) deve-se utilizar minério de alta pureza e alta redutibilidade

- poroso);

b) o carburador utiliza combustíveis caros (coque, carvão vegetal);

c) produção pequena, apenas 80 t/dia;

d) os materiais devem possuir boa resistência mecânica e uma certa granulometria para dar permeabilidade a passagem dos gases redutores.

FERRO ESPONJA WIBERG

Composição:

Fe total 90%

Fe metálico 82%

C 0,9%

P 0,010%

S 0,010%

3. PROCESSO DE REDUÇÃO DIRETA MIDREX

• foi desenvolvido pela empresa norte americana Midland Rose – 1965;

• em 1973 tinha 4 plantas de caráter industrial nos U.S.A.;

• ocupa o 1º lugar em número de unidades operacionais no mundo;

• capacidade de produção 400.000 t/ano.

diagrama do processo Midrex

PROCESSO

Os minérios (pelotas, sinter) são reduzidos num forno de cuba por um gás gás redutor ( ~ 50% CO e 30% H2 ) e obtém-se o ferro esponja no estado sólido.

PRINCIPAIS INSTALAÇÕES

1) reformador - onde prepara o gás redutor;

2) forno de Redução - redução e resfriamento do ferro.

Reformador

O gás redutor e obtido pela reação do (CH4) com o gás do topo do forno de redução (H2, CO2, H2O, CO) produzindo praticamente CO e H2 com auxilio de um cataiizador (Ni);

Reformador é uma câmara de aquecimento revestida internamente de refratário;

O reformador é aquecido pela mistura (ar + gás natural + gás de topo)

REFORMADOR

O forno é atravessado por tubos refratários contendo o catalisador (Ni ou pentóxido de Va), onde passa a mistura gasosa (gás natural + gás topo)

Em alta temperatura (1000° C) ocorre as seguintes reações dentro do tubo:

CH4 + CO2 2CO + 2H2

CH4 + H2O CO + 3H2

a temperatura do reformador é limitada pelos tubos refratários

é projetado para reformar misturas gasosas com:

50% gás natural, 50% gás de topo

COMPOSIÇÃO DOS GASES

gás de topo: 25% CO, 20% CO2, 30% H2 e 25% H2O (antes do resfriador T = 320oC após T = 50oC

gás natural: 90%CH4, 10%C2H6

gás reformado: 36%CO, 50% H2, 4% (CH4 + CO2)

Trata-se de um processo continuo

FORNO REDUTORespecificação típica: diâmetro inferior - 4,8 m

volume interno - 1300 m3

possui duas regiões

1) zona de Redução: parte superior

• o minério (sinter, pelota) é introduzido na parte superior do forno

• são reduzidos pelo gás reformado ascendente do forno a T ~ 1000 0C

• 2/3 do gás do topo e misturado com gás natural e leva do ao reformador. 1/3 - combustível para o reformador

Reações

3Fe2O3(s) + CO(g) 2Fe3O4(s) + CO2(g)

3Fe2O3(s) + H2(g) 2Fe3O4(s) + H2O(g)

Fe3O4(s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g)

Fe3O4(s) + H2(s) 3FeO(s) + H2O(g)

FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)

FeO(s) + H2(g) Fe(s) + H2O(g)

Processo Midrex

2) zona de resfriamento: parte inferior, perfil cônico, não revestido de refratário

• gás frio (20% CO + 40% H2) é recirculado em circuito fechado; resfria o ferro esponja para sair a T ~ 35 0C para evitar oxidação

• o processo de obtenção do ferro esponja dura aproximadamente 6 horas.

DRI

COMPRESSOR DE GÁS DE RESFRIAMENTO

LAVADOR DE GÁS DE RESFRIAMENTO

FORNO DE CUBA

ÓXIDO DE FERRO

LAVADOR DE GÁS DE TOPO

COMPRESSOR DE GÁS DE PROCESSO

GÁS NATURAL

REFORMADOR

GÁS REDUTOR

SOPRADOR DE AR DE PROCESSO

CHAMINÉ EJETORA

RECUPERAÇÃO DE CALOR

AR DE COMBUSTÃO

AR DE ALIMENTAÇÃO

GÁS COMBUSTÍVEL

GÁS DE EXAUSTÃO

ZO

NA

D

E

RE

DU

ÇÃ

OZ

ON

A

DE

R

ES

FR

IAM

EN

TO

PROCESSO MIDREXPROCESSO MIDREX

4. PROCESSO PROCESSO HYL

- desenvolvido em 1953, México pela Hojolata Y.Lamina;

- é aplicável em Paises que dispunham de metano (CH4) a baixo preço e minério de alta qualidade;

- * A ganga não pode ser escorificada;

- é um processo descontinuo (4 retortas);

- os minérios são reduzidos pelo gás redutor obtido de gás natural reformado com excesso de H2O.

PROCESSO HYL III PROCESSO HYL III

H2O

CO2

H2O

AQUECEDOR

MINÉRIODE FERRO

DRI

GÁS NATURAL

COMPRESSOR

REATOR

H2O COMBUSTÍVEL

GÁS NATURAL

COMBUSTÍVEL

ÁGUA

COMPRESSOR

REFORMADOR VAPOR - GÁS

NATURAL

- 1955 - Inicio de funcionamento da 11a instalação;

- 1957 - 200 t/dia – 1960 - 500t/dia;

- 1970 - Inicio de utilização de pelotas (9 a 15mm);

- de todos os processos atuais de fabricação de ferro esponja o Hyl e o que leva mais anos fabricando grandes qualidades;

- é o processo que produziu de maior quantidade de ferro es ponja no mundo

- o gás reformado passa sucessivamente por 3 reatores em serie;

- em cada um dos reatores o gás efetua distintas operaçõesde redução;

- na saída do 3º reator o gás é utilizado como combustível emoperações auxiliares;

- Cada reator possui um pré-aquecedor de gás e uma torre de resfriamento.

- cada reator funciona independente dos demais;

- o gás redutor é preparado num único forno de reforma;

- o gás natural mais vapor passa por tubos inoxidável contendo o catalizador de níquel;

- Os tubos são aquecidos externamente a 800oC

CH4 + H2O CO + 3H2

gás redutor – 16% CO; 3% CH4; 0,3%N2; 72%H2; 8%CO2

-

- o gás reformado passa sucessivamente por 3 reatores em serie;

- em cada um dos reatores o gás efetua distintas operaçõesde redução;

- na saída do 30 reator o gás é utilizado como combustível emoperações auxiliares;

- cada reator possui um pré-aquecedor de gás e uma torre de resfriamento do gás;

DIFERENTES FASES DE TRABALHO DE REATORES

1 - Descarga do ferro esponja e carga de minério.

2 - Redução secundária dos óxidos ferro.

- os gases quentes usados anteriormente na redução principal em outro reator aquecem e reduzem parcialmente o minério

Fe2O3 Fe3O4

Objetivo - aquecer o minério (pelotas)

3 - Redução principal do oxido- o minério sofreu uma redução parcial na redução secundaria.- continua o aquecimento do minério e completa a redução final

do óxido de ferro (Fe3O4 FeO Fe)

PROCESSO PROCESSO HYL I HYL I

- o gás redutor utilizado e novo e recém preparado no forno de re forma;

- o gás e pré-aquecido p/ t 1050 C de entrar no reator.

4 – Resfriamento do ferro esponja

- o ferro esponja quente é resfriado pelo gás redutor (reforma) frio;

- pode haver alguma redução;- ocorre carburação do ferro esponja

~ (1 a 2%) 2CO = CO2 + C- cada fase da redução em cada reator dura em media 3 horas.

- cada fase da redução em cada reator dura em media 3 horas;

- portanto o processo dura em média 12 h;

- num determinado instante cada um dos 4 reatores se encontra num período diferente do ciclo.

PERCURSO DOS GASES NO PROCESSO HYL

1a ETAPA - RESFRIAMENTO DA CARGA

0 gás reformado ao sair do reator de reforma troca calorcom uma caldeira p/produzir vapor

Em seguida passa num resfriador p/condensar o vapor d'água

Depois de frio, o gás se destina ao reator que esta em resfriamento do ferro-esponja quente

o gás resfria o ferro-esponja e se pré-aquece;

devido a alguma pré-redução, o gás absorve água;

então o gás passa num resfriador p/condensar a água.

2a ETAPA - REDUÇÃO PRINCIPAL

o gás passa por um pré-aquecedor tubular (aquecido com gás combustível saído do 3o reator;

a temperatura do gás aumenta para 800°C;

entra numa câmara de combustão parcial controlada (gás redutor + ar)

a temperatura sobe para 1050°C;

em seguida o gás entra no reator em que o material sofreu redução secundária e está quente;

realiza a redução principal;

saída do gás com mais CO2 e H2O;

passa num resfriador p/ condensar H2O

3a ETAPA - REDUÇÃO SECUNDARIA o gás é novamente pré-aquecido no pré-aquecedor e

posteriormente na câmara de combustão até t~10500C

O gás entra no reator que foi recentemente carregado para fazer a redução secundaria e pré-aquecer a carga

posteriormente o gás passa num resfriador p/condensar H2O;

o gás é então utilizado como combustível nos fornos de preaquecimento e de reforma do gás.

Composição química dos gases envolvidos no processo

Gás combustível H2 – 30%CO2 – 22%CO – 16%N2 – 32%

Gás reformadoH2 – 72%CO2 – 8%CO – 16%N2 – 0,3%CH4 – 3%

Composição química dos gases envolvidos no processo

Gás de redução principalH2 – 63%CO2 – 10%CO – 17%N2 – 8%CH4 – 2%

ciclo operatório do procedimento HyL

1 2 3 4

Reator 1 Redução Secundária

Redução Principal

Resfriamento Carga e Descarga

Reator 2 Carga e Descarga

Redução Secundária

Redução Principal

Resfriamento

Reator 3 Resfriamento Carga e Descarga

Redução Secundária

Redução Principal

Reator 4 Redução Principal

Resfriamento Carga e Descarga

Redução Secundaria