Processo de Fabricação do Aço

Processo de Fabricação do Aço

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Produção de ferro e aço:

História da utilização:

Cometas – Grandes concentrações de minério de ferro.

Povos antigos – Babilônia, Egito, Pérsia, China, Índia e depois Gregos e Romanos fabricavam armas e inúmeros utensílios de ferro e aço.

1Fornos Primitivos

  • Tipo poço fechado

  • Tipo de forja catalã  Ambos usando carvão vegetal como combustível.

Figura 1 – Fornos primitivos usados na redução do minério de ferro, pelo emprego de carvão vegetal como combustível.

Estes dois tipos de fornos usavam o processo de redução direta (ferro não era obtido no estado líquido):

C + O2 CO2 CO2 + C CO

CO + FeXOY Fe + CO2

Obs.: O ferro era obtido no estado pastoso (líquido de alta viscosidade), misturado com as impurezas do minério.

O ferro assim obtido apresentava-se em geral relativamente dúctil, mole, maleável e podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevadas. Após ser retirado do forno (uma bola de ferro), o ferro era martelado para a remoção das impurezas. O resultado final era uma barra ou “lupa”, posteriormente reaquecida e trabalhada por martelamento (ferro pudlado).

Fornos primitivos  Possibilitavam a absorção de uma certa quantidade de carbono (até 1%), o que por rápido resfriamento poderia elevar drasticamente a dureza do material (têmpera).

2Desenvolvimento dos altos-fornos

Começou-se a aumentar, paulatinamente, a altura dos fornos primitivos. (fornos de cuba ou fornos chaminé).

Fornos chaminé: Carga  introduzida pelo topo

Ar  soprado pela parte inferior

1500  Inglaterra  Alto-forno mais próximo aos modernos

1619  Inglaterra  Introdução do coque

1800  Inglaterra  Aquecimento do ar

3Matérias-primas da indústria siderúrgica

As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes:

  • Minério de ferro

  • Carvão

  • Calcário

3.1Minério 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 (69,9% Fe).

  • Limonita (óxido hidratado de ferro)  2FeO3.3H2O (48,3% Fe).

Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto teor de ferro).

O minério de ferro é composto por três partes a saber:

  • Útil  parte que contém o ferro

  • Ganga  impurezas sem valor direto

  • Estéril  rocha onde o minério

O minério de ferro pode ser classificado como:

  • Rico  60 a 70% de Fe

  • Médio  50-60% de Fe

  • Pobre  <50%

3.1.1Beneficiamento do minério de ferro

O termo genérico “beneficiamento” compreende uma série de operações que têm como objetivo tornar o minério mais adequado para a utilização nos altos-fornos. Estas operações são britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração (principal). A aglomeração visa melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Os processos mais importantes de aglomeração são a sinterização e a pelotização.

Sinterização:

Consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa mistura com aproximadamente 5% de um carvão finamente dividido ou coque. A carga é aquecida por intermédio de queimadores e com o auxílio de fluxo de ar. A temperatura que se desenvolve durante o processo atinge 1.300 a 1500oC, suficiente para promover a ligação das partículas finas do minério, resultando num produto uniforme e poroso chamado sínter.

Pelotização:

Este é o mais novo processo de aglomeração e talvez o de maior êxito. Neste processo, produzem-se inicialmente “bolas” ou “pelotas” cruas de finos de minério de alto teor ou de minério concentrado. Adiciona-se cerca de 10% de água e, geralmente, um aglomerante de natureza inorgânica. Uma vez obtidas as pelotas cruas, estas são secas, pré-aquecidas e então queimadas.

3.2Carvão

O combustível utilizado no alto-forno é o carvão, coque ou de madeira, cuja ação se faz sentir em três sentidos:

  • fornecedor de calor para a combustão;

  • fornecedor do carbono para a redução de óxido de ferro;

  • indiretamente, fornecedor de carbono como principal elemento de liga do ferro gusa.

Carvão coque:

O coque é obtido pelo processo de “coqueificação”, que consiste, em princípio, no aquecimento a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente (exceto para saída de gases) fechadas, do carvão mineral. No aquecimento às temperaturas de coqueificação e na ausência de ar, as moléculas orgânicas complexas que constituem o carvão mineral se dividem, produzindo gases e compostos orgânicos sólidos e líquidos de baixo peso molecular e um resíduo carbonáceo relativamente não volátil. Este resíduo resultante é o “coque”, que se apresenta como uma substância porosa, celular, heterogênea, sob os pontos de vista químico e físico. A qualidade do coque depende muito do carvão mineral do qual se origina, principalmente do seu teor de impurezas.

Carvão vegetal:

O carvão vegetal ou de “madeira” é fabricado mediante pirólise da madeira, isto é, quebra das moléculas complexas que constituem a madeira, em moléculas mais simples, mediante calor. O aquecimento para a carbonização da madeira é feito em fornos de certo modo rudimentares e pouco eficientes, sobretudo no Brasil, pois os subprodutos gasosos e líquidos são perdidos durante o processo. O calor é aplicado à madeira, com ausência de oxigênio, resultando em gases (CO2, CO, H2, etc...), líquidos (alcatrões, ácido acético, álcool metílico) e o resíduo sólido que é o carvão vegetal.

3.3Fundente

A função do fundente é combinar-se com as impurezas (ganga) do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas “escórias”. O principal fundente é o calcário, de fórmula CaCo3.

3.4Outras matérias-primas da indústria siderúrgica

Entre elas, a mais importante é o minério de manganês. Outras matérias-primas incluem as “ferro-ligas” de silício, cromo, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio, etc...Finalmente, deve-se ainda mencionar como importante matéria-prima a sucata de aço, ou seja, subprodutos da fabricação de aço e itens ou componentes de aço desgastados, quebrados ou descartados.

4Produção do ferro Gusa: Alto-forno

O alto-forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalurgia do ferro. A metalurgia do ferro consiste, essencialmente, na redução dos óxidos dos minérios de ferro, mediante o emprego de um redutor, que é um material a base de carbono (carvão). A Figura 2 mostra a seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo todo o equipamento acessório e auxiliar. Como se vê, trata-se de uma estrutura cilíndrica, de grande altura, que compreende essencialmente uma fundação e o forno propriamente dito. Este, por sua vez, é constituído de três partes essenciais, isto é, cadinho, rampa e cuba (ver Figura 3).

O equipamento acessório e auxiliar do tem como objetivo limpar os gases que saem do alto-forno, bem como pré-aquecer o ar que é introduzido no forno através das ventaneiras.

Figura 2 – Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o equipamento auxiliar principal.

Figura 3 – Seção transversal de um alto-forno moderno.

4.1Operação do alto-forno

Num alto-forno, existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações que se verificam, isto é, uma corrente sólida, representada pela carga que desce paulatinamente e uma corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente.

Reações químicas:

As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de 1.800 a 2000oC. Nesta região, verifica-se a reação:

C + O2  CO2 Reação 1

Originando-se grande quantidade de calor.

Este CO2, ao entrar em contato com o coque incandescente, decompõe-se:

CO2 + C 2CO Reação 2

O CO originado é o agente redutor.

A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente sofre uma secagem.

A decomposição dos carbonatos, contidos no calcário dá-se a aproximadamente 800oC, conforme as seguintes reações:

CaCO3  CaO + CO2 Reação 3

MgCO3  MgO + CO2 Reação 4

Além do CO como agente redutor, o próprio carbono do carvão atua nesse sentido.

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