Etapas de fabricação do ferro fundido

Etapas de fabricação do ferro fundido

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Etapas de Fabricação do aço e Ferro Fundido

O aço e o ferro-fundido são obtidos a partir de uma matéria prima denominada

Ferro-gusa ou simplesmente gusa.

O gusa é uma liga de ferro e carbono, contendo de 3,5 a 4,5% de carbono e outros elementos residuais como silício, manganês, fósforo, enxofre e entre outros.

Para obtê-lo são depositados em um Alto-forno o minério de ferro, o combustível (coque ou carvão vegetal) e o fundente (Geralmente o calcário), onde uma grande quantidade de ar aquecido ativa a queima do combustível, dando origem a reações químicas que acarretarão na redução do minério e sua transformação em gusa.

Além do ferro gusa obtém-se também no processo a escória de alto-forno e grande quantidade de gases, a ilustração 1 demostra as proporções das matérias primas e produtos obtidos no alto-forno.

Ilustração 1 Proporção em massa do que entra e sai de um alto forno(COLPAERT, 1974)

O MINÉRIO Antes do minério ir para o alto-forno pode passar por uma preparação cuja função é torná-lo adequado ao uso pois o alto-forno só trabalha com pedaços que medem entre 10 e 30mm e grande parte do minério de ferro encontra-se em pó ou em pedaços menores de 10mm. O aumento das necessidades mundiais de aço trouxe condições econômicas para se desenvolver processos que permitem a utilização desse tipo de minério, esses processos são a sinterização e a pelotização.

Sinterização: Por meio deste processo são obtidos blocos feitos com partículas de minério de ferro, carvão moído, calcário e água. Isso tudo é misturado até se obter um aglomerado. Depois, essa mistura é colocada sobre uma grelha e levada a um tipo especial de equipamento que, com a queima de carvão, atinge uma temperatura entre 1.000ºC e 1.300ºC. Com esse aquecimento, as partículas de ferro derretem superficialmente, unem-se umas às outras e acabam formando um só bloco poroso, que ainda quente, é quebrado em pedaços menores chamados sínter.

Minério Fundente Combustível

Ar Aquecido Gusa

Pelotização: Nesse processo, o minério de ferro é moído bem fino e depois umedecido para formar um aglomerado. O aglomerado é, então, colocado em um tipo de moinho em forma de tambor. Conforme esse tambor gira, os aglomerados vão sendo unidos até se transformarem em pelotas (daí o nome: pelotização). Depois disso, essas pelotas são submetidas à secagem e queima para endurecimento.

O material utilizado como fundente é o calcário que por sua vez, é uma combinação de cálcio com carbono e oxigênio. Sua função é ajudar o minério de ferro a se fundir, juntamente com as impurezas do minério forma a escória que ficará líquida e se depositará na superfície do ferro-gusa por ser mais leve.

Os combustíveis são muito importantes na fabricação do ferro-gusa, pois precisam ter um alto poder calorífico. Isso quer dizer que têm de gerar muito calor e não podem contaminar o metal obtido.

Dois tipos de combustíveis são usados: o carvão vegetal e o carvão mineral. Por suas propriedades e seu elevado grau de pureza, o carvão vegetal é considerado um combustível de alta qualidade. Na indústria siderúrgica brasileira, esse tipo de combustível participa, ainda, em cerca de 40% da produção total de ferro fundido. Suas duas grandes desvantagens são o prejuízo ao ambiente (desflorestamento) e a baixa resistência mecânica, muito importante no alto- forno, porque o combustível fica embaixo da carga e tem que agüentar todo o seu peso.

O carvão mineral produz o coque, que é o outro tipo de combustível usado no alto-forno. Para que ele tenha bom rendimento, deve apresentar um elevado teor calorífico e alto teor de carbono, além de apresentar grande resistência ao esmagamento para resistir ao peso da coluna de carga.

Além de serem combustíveis, tanto o coque quanto o carvão vegetal têm mais duas funções: gerar gás redutor ou agir diretamente na redução, e assegurar a permeabilidade à coluna de carga. Isso quer dizer que eles permitem que o calor circule com facilidade através da carga.

Juntando-se essas matérias-primas dentro do alto-forno, obtém-se o ferro-gusa, a partir do qual se fabrica o aço e o ferro fundido.

Para poder fabricar o ferro fundido e o aço, você precisa do ferro-gusa. É um material duro e quebradiço, formado por uma liga de ferro e carbono, com alto teor, ou seja, uma grande quantidade de carbono e um pouco de silício, manganês, fósforo e enxofre.

A primeira empresa siderúrgica brasileira a utilizar coque no alto-forno foi a

Companhia Siderúrgica Nacional (CSN), implantada em Volta Redonda, no estado do Rio de Janeiro. Era uma empresa estatal, criada por decreto do governo de Getúlio Vargas, em 9 de abril de 1941 e privatizada em 2 de abril de 1993.

O alto-forno é construído de tijolos e envolvido por uma carcaça protetora de aço. Todas as suas partes internas, sujeitas a altas temperaturas, são revestidas com tijolos chamados “refratários” porque suportam essas temperaturas sem derreter. Três zonas fundamentais caracterizam o alto-forno: o fundo chamado cadinho; a segunda seção chamada rampa; e a seção superior chamada cuba.

O cadinho é o lugar onde o gusa líquido é depositado. A escória (conjunto de impurezas que devem ser separadas do gusa), que se forma durante o processo, flutua sobre o ferro que é mais pesado. No cadinho há dois furos: o furo de corrida, aberto de tempos em tempos para que o ferro líquido escoe, e o furo para o escoamento da escória. Como a escória flutua, o furo para seu escoamento fica acima do furo de corrida. Assim, sobra espaço para que uma quantidade razoável de ferro seja acumulada entre as corridas.

Na rampa, acontecem a combustão e a fusão. Para facilitar esses processos, entre o cadinho e a rampa ficam as ventaneiras, que são furos distribuídos uniformemente por onde o ar pré-aquecido é soprado sob pressão.

A cuba ocupa mais ou menos dois terços da altura total do alto-forno. É nela que é colocada, alternadamente e em camadas sucessivas, a carga, composta de minério de ferro, carvão e os fundentes (cal, calcário).

Funcionamento do Alto-forno

Quando o minério de ferro, o coque e os fundentes são introduzidos na parte superior (goela) da rampa, algumas coisas acontecem:

Os óxidos de ferro sofrem redução, ou seja, o oxigênio é eliminado do minério de ferro; A ganga se funde, isto é, as impurezas do minério se derretem; O gusa se funde, quer dizer, o ferro de primeira fusão se derrete; O ferro sofre carburação, quer dizer, o carbono é incorporado ao ferro líquido; Certos elementos da ganga são parcialmente reduzidos, ou seja, algumas impurezas são incorporadas ao gusa.

Tudo isso não é nenhuma mágica. São, apenas, as reações químicas provocadas pelas altas temperaturas obtidas lá dentro do forno que trabalham com o princípio da contra- corrente. Isso quer dizer que enquanto o gás redutor, resultante da combustão sobe, a carga sólida vai descendo.

Por causa dessa movimentação, três zonas aparecem dentro do alto-forno:

A zona onde ocorre o pré- aquecimento da carga e a redução, ou eliminação do oxigênio, dos óxidos de ferro; A zona de fusão dos materiais; A zona de combustão que alimenta as duas primeiras.

A redução dos óxidos de ferro acontece à medida que o minério, o agente redutor (coque ou carvão vegetal) e os fundentes (calcário ou dolomita) descem em contra- corrente, em relação aos gases. Esses são o resultado da queima do coque (basicamente, carbono) com o oxigênio do ar quente (em torno de 1.000ºC) soprado pelas ventaneiras, e que escapam da zona de combustão, principalmente para cima, e queimam os pedaços de coque que estão na abóbada (ou parte superior) da zona de combustão.

Conforme o coque vai se queimando, a carga vai descendo para ocupar os espaços vazios. Esse movimento de descida vai se espalhando lateralmente pela carga, até atingir toda a largura da cuba.

Ilustração 2- fotografia do alto forno 1 da Companhia Siderúrgica de Tubarão – CST em Serra/ES

Dentro do alto-forno tem-se a seguinte seqüência, como ilustra a figura ao lado:

- Introduz-se a carga, composta de minério de ferro, coque e fundente.

- Entre 300ºC e 350ºC temos a dessecação, onde o vapor de água contido na carga é liberado.

- Entre 350ºC e 750ºC ocorre a redução, onde o óxido de ferro perde o oxigênio.

- Entre 750ºC e 1150ºC temos a carburação, onde o ferro se combina com o carbono formando a gusa.

- Entre 1150ºC e 1800ºC ocorre a fusão, onde a gusa passa para o estado líquido

- Em torno dos 1600ºC ocorre a liquefação, onde a gusa se separa da escória. Etapas da obtenção do aço em um alto-forno

As reações de redução, carburação e fusão descritas anteriormente geram dois produtos líquidos: a escória e o ferro-gusa, que são empurrados para os lados, pelos gases que estão subindo e escorrem para o cadinho, de onde saem pelo furo de corrida (gusa) e pelo furo da escória.

de aço ou, eventualmente, com outros metais, para se transformar em aço

O gusa que sai do alto-forno por uma abertura na sua parte inferior pode seguir um, entre dois caminhos: pode ir para a fundição, para ser usado na fabricação de peças de ferro fundido, ou pode ir para a aciaria, onde pode ser misturado com sucata

O ferro-gusa obtido pode ser solidificado em blocos para servir de matéria prima para processos posteriores como a obtenção de ferro fundido em um forno como o cubilô ou ser transportado em grandes baldes apropriados ou em vagões-tanques especiais, para os fornos de refino ou então conversores, nos quais é transformado em aço.

A escória resultante do processo tem um importante papel na industria cimenteira pois é utilizada como matéria prima na produção de cimento.

Para transformar o gusa em aço, é necessário que ele passe por um processo de oxidação - combinação do ferro e das impurezas com o oxigênio - até que a concentração de carbono e das impurezas se reduza a valores desejados. Os fornos a injeção de ar ou oxigênio diretamente no gusa líquido, são chamados “conversores” e são de vários tipos. Os mais conhecidos são: Conversor Bessemer Conversor Thomas Conversor LD (Linz Donawitz)

Conversor Bessemer: É um forno basculante em que no fundo se encontram orificios através dos quais passa ar sob pressão, que borbulha violentamente através da carga que é sempre líquida. É constituído por uma carcaça de chapas de aço, soldadas e rebitadas. Essa carcaça é revestida, internamente, com uma grossa camada de material refratário, isto é, aquele que resiste a altas temperaturas. A grande sacada desse forno é seu formato que permite seu basculamento. Quer dizer, ele é montado sobre eixos que permitem colocá-lo na posição horizontal, para a carga do gusa e descarga do aço, e na posição vertical para a produção do aço.

Este forno não precisa de combustível. A alta temperatura é alcançada e mantida, devido às reações químicas que acontecem quando o oxigênio do ar injetado entra em contato com o carbono do gusa líquido. Nesse processo, há a combinação do oxigênio com o ferro, formando o óxido de ferro (FeO) que, por sua vez, se combina com o silício (Si), o manganês (Mn) e o carbono (C), eliminando as impurezas sob a forma de escória e gás carbônico.

Abaixo: Conversor Bessemer, Museu de Kelham Island,

Sheffield, Yorkshire, Inglaterra.

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