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12/06/2018 07:24 TECNOLOGIA METALÚRGICA - Processos Siderúrgicos

Tecnologia Metalúrgica

Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica


Capítulo VI

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Processos Siderúrgicos

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

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6.1 Introdução

✓ PROCESSOS SIDERÚRGICOS: Conjunto de

processos pirometalúrgicos utilizados na extração

do ferro e na fabricação de suas ligas.

✓ SIDERURGIA: Conjunto integrado dos processos

siderúrgicos.

✓ As ligas à base de ferro são produzidas em maior

quantidade do que qualquer outro tipo de metal, e

nelas estão incluídos os aços carbono comuns, os

aços-ferramentas, os aços inoxidáveis e os ferros

fundidos.


6.1 Introdução

✓ O amplo uso das ligas à base de ferro deve-se a três

fatores principais (CALLISTER, 2012):

• Os compostos que contém ferro ainda existem em

grande quantidade no interior da crosta terrestre;

• O ferro metálico e as ligas de aço podem ser

produzidos usando-se técnicas de extração,

beneficiamento, formação de ligas e fabricação

relativamente econômicas;

• As ligas ferrosas são extremamente versáteis, no

sentido de que elas podem ser adaptadas para possuir

uma ampla variedade de propriedades mecânicas e

físicas.

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6.1 Introdução

✓A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na

Revolução Industrial, com a invenção de fornos

que permitiam não só corrigir as impurezas do

ferro, como adicionar-lhes propriedades como

resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão

etc.

✓ Por causa dessas propriedades e do seu baixo

custo o aço passou a representar cerca de 90% de

todos os metais consumidos pela civilização

industrial.


6.1 Introdução

✓ A primeira etapa da siderurgia é a obtenção do ferro

bruto e impuro, denominado ferro gusa, por meio da

redução dos minérios de ferro.

✓ O ferro gusa possui cerca de 90% de pureza; é,

portanto, o produto siderúrgico básico, pois atua

como matéria prima na fabricação dos aços e dos

ferros fundidos.

✓ Atualmente, a produção mundial do ferro gusa

supera 1 bilhão de toneladas anuais, das quais o

Brasil participa com mais de 32 milhões de

toneladas anuais.

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6.1 Introdução


6.2 Principais minérios de ferro

✓ Os principais minérios de ferro são na forma de óxidos;

entretanto, podem ocorrer em menores quantidades sob

outras formas (carbonatos, por exemplo):

• Magnetita – Essencialmente peróxido de ferro

(Fe3O4); teor nominal de 72,4% de ferro; teor real

entre 50 a 70% (presença de ganga); cor cinza escuro;

propriedades magnéticas (facilita operações de

beneficiamento).

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• Hematita – Mais comum; essencialmente trióxido de

ferro (Fe2O3); teor nominal de 69,5% de ferro; teor real

entre 45 a 68% (presença de ganga); geralmente de cor

avermelhada.

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• Limonita – Essencialmente hematita hidratada

(Fe2O3.H2O); proporção de moléculas da água de

hidratação entre 1 e 3; teor real entre 20 a 50% de

ferro; cor marrom.



• Siderita – Pouco frequente, ocorre normalmente em

pequenas proporções como componente de mistura da

hematita; carbonato de ferro (FeCO3); teor nominal de

48,3% de ferro; teor real entre 10 e 40%; cor gris com

matizes de amarelo.

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• Pirita – Pouco frequente e sem maior interesse

siderúrgico; ocorre normalmente como componente de

mistura de minérios de outros metais (minério de

cobre, por exemplo); basicamente sulfeto (FeS2);

apresenta amarelo metálico (“ouro dos tolos”).



✓ BENEFICIAMENTO

• Fragmentação por britagem, moagem e pulverização;

• Classificação por peneiramento;

• Concentração por separação magnética.

✓ PRÉ-EXTRAÇÃO:

• Desidratação a 800 °C, para a limonita eventualmente

presente:

𝐹𝑒2𝑂3. 𝐻2𝑂(𝑠)800°𝐶

𝐹𝑒2𝑂3(𝑠) + 𝐻2𝑂(𝑔)

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• Calcinação a 800 °C, para a siderita eventualmente

presente:

𝐹𝑒𝐶𝑂3(𝑠)800°𝐶

𝐹𝑒𝑂 (𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔)

• Ustulação a 1000 °C, para a pirita eventualmente

presente:

4𝐹𝑒𝑆2 𝑠 + 11𝑂2(𝑔)1000°𝐶

2𝐹𝑒2𝑂3(𝑠) + 8𝑆𝑂2(𝑔)

e onde parte da hematita é oxidada.



• Aglomeração por pelotização e sinterização:

blocos porosos de poucos centímetros, com cerca

de 40 a 60% de ferro contido.

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6.3 Redução em altoforno

✓ Processo de extração do ferro mais empregado: redução

do seu minério (óxidos), usando-se o carbono como agente

redutor, em forno especial denominado altoforno.

✓ Altoforno: Sistema destinado a produzir ferro gusa em

estado líquido a uma temperatura em torno de 1500ºC, com

a qualidade e em quantidade necessárias para o bom

andamento dos processos produtivos subsequentes

Consiste essencialmente em um reator tubular vertical, no

qual a redução ocorre de maneira praticamente contínua.

✓ Alimentação: Carga sólida na parte superior e ar pré-

aquecido na parte inferior



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✓ Constituição da carga sólida do forno: 3 componentes

básicos:

• Minério de ferro – Geralmente à base de hematita ou mistura

hematita/magnetita; teor médio de 40 a 60% de ferro contido;

forma de pelotas sinterizadas; normalmente acompanhado de

cerca de 10% de ganga (basicamente sílica).

• Fundente – Geralmente à base de calcário (CaCO3); atua no

acerto da escória.

• Coque – Produto obtido pelo processo de “coqueificação”, que

consiste, em princípio, no aquecimento a altas temperaturas, em

câmaras hermeticamente fechadas (exceto para saída de gases),

do carvão mineral. Dupla finalidade: prover o carbono redutor e

o carbono combustível.

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✓ A redução do minério (óxido de ferro) pelo coque (carbono

redutor) ocorre por meio de reações endotérmicas (∆H > 0).

✓ O calor necessário à essa redução é produzido pela combustão

(∆H < 0) de parte do coque (carbono combustível) com o

oxigênio do ar (pré-aquecido entre 800 e 1000 °C) insuflado na

parte inferior do altoforno.

✓ Constituintes das reações que ocorrem no altoforno:

• Ferro gusa – Ferro em estado líquido contendo cerca de

4,5% de carbono dissolvido, além de diversas impurezas e

elementos dissolvidos, tais como enxofre, fósforo, silício e

manganês. Deposita-se no fundo do altoforno, de onde pode

ser retirado periodicamente.



• Escória – Mistura de óxidos em estado de fusão que, por

sua menor densidade, sobrenada o banho líquido. É

composto de material da ganga e do fundente. Devido a

sua fluidez é retirada de tempos em tempos.

• Poeira – Constituída essencialmente de cinzas resultantes

da queima do coque e de materiais inertes contidos na

ganga. Essa poeira é arrastada pelos gases quentes que

sofrem uma tiragem na parte superior do alto-forno.

• Gases – Evoluem pela parte superior do altoforno a uma

temperatura da ordem de 300ºC; são constituídos

essencialmente de uma mistura CO2 e CO, e

principalmente N2.

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✓ Composição do ferro gusa: cerca de 4,5 % de carbono; 0,3

a 0,7 % de silício; 0,01 a 0,04 % de enxofre; no máximo

0,1 % de fósforo; e cerca de 0,15 de manganês.

✓ Composição da escória: 30 a 40 % de SiO2; 5 a 15 % de

Al2O3; 35 a 45 % de CaO; 5 a 15 % de MgO; e 1 a 2 % de

enxofre. Recentemente tem crescido o aproveitamento da

escória de altoforno para a fabricação de cimentos e

outros materiais cerâmicos.

✓ Composição do gás que escapa do altoforno: cerca de 22

% de CO; 22 % de CO2 (razão CO/CO2 praticamente

unitária) 3 % de H2, 50 % de N2 e 3 % de H2O.



✓ Características de um altoforno atual:

• Dimensões: diâmetro entre 10 e 14 m; altura entre 60 e

70 m, mas existem menores.

• Capacidade: 13.000 toneladas/dia de ferro gusa.

• Vida útil: média de 15 anos (e crescendo);

• produtividade: alta;

• Consumo de combustível: relativamente baixo;

• Carga: geralmente da ordem de 7 vezes maior que a

quantidade de ferro gusa produzida.

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✓ Estatística operacional genérica de um altoforno com alta

produtividade:

• Produção: 1.000 ton/dia;

• Minério: 60 a 40 % de sínter e 40 a 60 % de pelotas;

• Combustível: da ordem de 535 kg, sendo 450 kg de

coque e 85 litros de óleo;

• Capacidade do cadinho: 4.373 m³;

• Sopro de ar: 8.000 m³/min, pressão 4,3 bar e

temperatura de 1.350 ºC, sendo o teor de oxigênio de

até 3 %.



✓ REAÇÕES DO ALTOFORNO: A redução do minério

ocorre ao longo do altoforno e durante a queda da

carga sólida, e é realizada por meio de diversas

reações, cuja viabilidade é dada no diagrama de

Ellingham, e se dão em etapas caracterizadas pelas

seguintes zonas térmicas do altoforno.

(a) Zona de redução indireta.

(b) Zona de redução direta.

(c) Zona de fusão e combustão.

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✓ Alguns autores dividem as reações ocorrendo em outras

três zonas do altoforno:

A. Trocador químico superior.

B. Zona de reserva química.

C. Trocador químico inferior.

• Em A e B ocorre a redução indireta (zona de

preparação) e em C a redução direta (zona de

elaboração).

✓ Aqui será adotada as reações nas três zonas do altoforno

inicialmente classificadas.



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• Zona de redução indireta – Situada na parte

superior do altoforno, na faixa térmica entre 100 a

700 °C – praticamente toda hematita (Fe2O3) é

reduzida a magnetita (Fe3O4) pela ação do carbono

(coque), e é caracterizada pela formação de dióxido

de carbono (CO2).

6𝐹𝑒2𝑂3 𝑠 + 𝐶 𝑠400°𝐶

4𝐹𝑒3𝑂4 𝑠 + 𝐶𝑂2 𝑔

ቊ∆𝐺673 = −27 Τ𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐶

∆𝐻673 = +15 Τ𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐶

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• Zona de redução direta – Situada na parte

intermediária do altoforno, na faixa térmica entre

700 a 1.500 °C – a magnetita (Fe3O4) é reduzida a

ferro metálico (esponjoso) pela ação do carbono

(coque), e é caracterizada pela formação de

monóxido de carbono (CO).

𝐹𝑒3𝑂4 𝑠 + 4𝐶 𝑠1000°𝐶

3𝐹𝑒 𝑠 + 4𝐶𝑂 𝑔

ቊ∆𝐺1273 = −50 Τ𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒2𝑂3

∆𝐻1273 = +250 Τ𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒2𝑂3



OBS: A redução direta é uma síntese da redução

intermediária da magnetita, com a formação de

wustita (FeO), que é imediatamente reduzida ao

ferro:

𝐹𝑒3𝑂4 𝑠 + 𝐶 𝑠1000°𝐶

3𝐹𝑒𝑂 𝑠 + 𝐶𝑂 𝑔



3𝐹𝑒𝑂 𝑠 + 3𝐶 𝑠1000°𝐶

3𝐹𝑒 𝑠 + 3𝐶𝑂 𝑔



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• Zona de fusão e combustão – Situada na parte

inferior do alto-forno (logo acima do banho

escória/ferro gusa), na faixa térmica entre 1.500 a

1.800 °C, e é caracterizada pela formação de

monóxido de carbono (CO). Nessa etapa ocorre:

- a fusão do ferro esponjoso formado na zona

anterior;

- a combustão do carbono (coque) remanescente

da redução, necessária às reações endotérmicas

nas zonas anteriores).



- Fusão do ferro:

𝐹𝑒 𝑠1530°𝐶

𝐹𝑒 𝑙

∆𝐻1873 ≅ 𝐿𝑓 = +3,5 Τ𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒

- Combustão:

2𝐶 𝑠 + 𝑂2 𝑔1800°𝐶

2𝐶𝑂 𝑔

ቊ∆𝐺2073 = −150 Τ𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑂2

∆𝐻2073 = −56 Τ𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑂2

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• No fundo do altoforno, na região denominada

cadinho, deposita-se o ferro gusa, contendo

elevados teores de C, Si, Mn, P, S e outros

elementos.

• A escória localiza-se sobre o metal líquido, por ser

menos densa.


6.4 Outros processos de redução

✓ Redução em forno elétrico:

• Países com energia elétrica barata e/ou onde o coque

é oneroso ou inexistente.

• Como não há combustão, o coque é usado apenas

como redutor, bem como não há necessidade de

injeção de ar no sistema.

• A energia térmica necessária ao processos é provida

ao sistema por meio de energia elétrica, através de

eletrodos de grafita, formando um arco elétrico

diretamente na carga do forno.

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• Grande economia de volume útil do forno.

• Necessita-se de um elevado consumo específico de

energia elétrica (ordem de 2000 kwh/tonelada de

ferro produzido.

• A redução do minério de ferro ocorre

essencialmente com as mesmas reações químicas

do processo no altoforno, com exceção da reação de

combustão do coque.



• Esquema de um forno

elétrico para a redução do

minério de ferro

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6.5 Fabricação do aço

✓ Aços-carbono: Ligas de ferro e carbono contendo,

geralmente, 0,008% até aproximadamente 2,0% em

peso de carbono, além de impurezas em teores

menores que 0,05%, tais como: enxofre e fósforo.

✓ Aços-liga: contêm, além do ferro e do carbono,

outros elementos de liga (cromo, níquel, manganês

etc.) ou apresentam elementos residuais em teores

acima dos que são considerados normais (mais

elementos de liga são adicionados intencionalmente

ao aço, em concentrações específicas).



✓ Pequenas variações no teor de carbono e de elementos de

liga impõem ao aço propriedades específicas para

determinadas aplicações.

✓ O ferro gusa é bastante heterogêneo e impuro, e os

elementos químicos de sua composição, estão acima dos

valores aceitáveis para ser considerado aço (Tabela).

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✓ Alguns elementos componentes do ferro gusa formam

compostos com o ferro, comprometendo o desempenho

do produto final (aços e ferros fundidos), por exemplo:

• Enxofre. Forma um sulfeto (FeS) de baixo ponto de

fusão, que se precipita e segrega nos contornos de grãos

e que se funde à temperatura de forjamento, provocando

o surgimento da fragilidade a quente no produto.

• Fósforo. Forma um fosfeto (Fe3P) de elevada dureza,

provocando o surgimento da fragilidade a frio, que

prejudica os processos de conformação a frio.



✓ Para alcançar o objetivo de diminuir controladamente os

elementos do ferro gusa, em níveis abaixo dos teores

normalmente encontrados nesse material, procede-se à

sua oxidação.

✓ A oxidação consiste na passagem de oxigênio (puro ou do

ar) em meio à massa do ferro gusa no estado líquido,

aproximadamente a 1.600 °C.

✓ Entre os processos mais utilizados para produção de

aço em escala industrial tem-se: o processo

Bessemer, o processo Thomas e o processo LD.

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✓ Caracterização do Processo Bessemer :

• Este processo baseia-se em diminuir o C, o Si e o Mn

do gusa líquido soprando ar através do banho e assim

convertendo-o em aço.

• Por ser um processo ácido não são eliminados o P e S,

por este motivo a presença desses elementos deve ser

mínima.

• O oxigênio do ar que se combina com o C e Si do

gusa gera calor suficiente para manter fundido o

metal e a escória.



• O equipamento em que se efetua este processo é

chamado de conversor (Figura), suas características de

construção, compreendem de uma carcaça de chapa de

aços em forma de pera, revestida internamente com

tijolos refratários.

• Normalmente usa-se refratários de sílica (ácido) para

evitar a reação com a escória ácida, resultante do

processo.

• O fundo do conversor é perfurado, para injeção de ar, e

de fácil troca, já que sua vida útil, devido a severidade

no uso é baixa.

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• Algumas características técnicas do processo e do

conversor:

▪ Carga = sucata (pequena quantidade) + ferro gusa

(líquido);

▪ Tempo de cada corrida = 15 minutos;

▪ Pressão do ar injetado = 1,4 a 1,7 atm;

▪ Capacidade de carga do conversor 25 a 40 toneladas;

▪ Temperatura máxima utilizada no processo = 1.600ºC;

▪ Devido as reações de oxidação dos elementos

químicos serem fortemente exotérmicas

(principalmente a do silício), dispensa-se qualquer

tipo de combustível. Variação: 1.300 °C → 1.600 °C



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✓ Caracterização do processo Thomas (Bessemer

básico):

• Processo semelhante ao Bessemer, porém é indicado

para o ferro gusa rico em fósforo e com baixo teor de

silício, diferindo na composição da carga, pois adiciona-

se cal, para redução do P e S.

• A quantidade de cal utilizada depende do teor de Si e P.

• O conversor é idêntico ao Bessemer, porém o material

refratário para o revestimento interno do conversor é

básico (tijolos de dolomita), devido a escória resultante

do processo ser básica.



• As principais reações ocorrem nesta sequência,

oxidação do Si e Mn, oxidação do C, oxidação do

P.

• Sequência de operação:

1. carregamento de sucata (e minério, opcional);

2. carregamento de gusa líquido;

3. injeção de ar;

4. vazamento e desoxidação do aço.

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✓ Caracterização do processo LD:

• O processo LD tem como princípio injeção de

oxigênio pela parte superior do conversor.

• A injeção do oxigênio é realizada através de uma

lança constituída de três tubos concêntricos de aço,

em que O2 passa pelo tubo central, e os dois tubos

adjacentes servem para refrigeração com água.

• A forma do conversor é similar ao conversor

Bessemer e Thomas (Figura).



• Características técnicas do processo e conversor:

− Carga = sucata (pequena quantidade) + ferro

gusa (líquido) + cal;

− Tempo de cada corrida = 40 a 50 minutos;

− Distância da lança a superfície do banho = 0,3 a

1,2 metros;

− Capacidade de carga do conversor = 100

toneladas;

− Temperatura máxima utilizada no processo =

2.500 ºC;

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− Possuem sistema de tratamento de resíduos

gasosos e sólidos, resultantes do processo.

− O oxigênio injetado tem uma pureza que varia de

90 a 95%.

− As principais reações ocorrem nesta ordem,

oxidação do Si, oxidação do C.



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