Processo de Fabricação do Aço

Processo de Fabricação do Aço

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.

Reações químicas de redução do minério de ferro:

3Fe2O3 + CO  2Fe3O4 + CO2 Reação 5

Fe3O4 + CO  3FeO + CO2 Reação 6

ou

Fe2O3 + 3C  2Fe + 3CO Reação 7

Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho onde o ferro líquido e a escória são depositados), inicia-se a formação da escória, pela combinação da cal (CaO) com a ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quantidade de óxido de ferro e manganês. Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa a gotejar através dos interstícios (espaços vazios) da carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho.

Outras reações:

Mn3O4 + C  3MnO + CO Reação 8

MnO + C  Mn + CO Reação 9

SiO2 + 2C  Si + 2CO Reação 10

P2O5 + 5C  2P + 5CO Reação 11

FeS + CaO + C  CaS + Fe + CO Reação 12

Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações:

3Fe + C  Fe3C Reação 13

3Fe + 2CO  Fe3C + CO2 Reação 14

Todas estas reações produzem, então, o ferro gusa, que além de ferro e carbono também incorpora os elementos manganês (Mn), silício (Si), fósforo (P) e enxofre (S).

A formação da escória compreende reações bem mais complexas. Essa escória resulta da combinação do CaO e do MgO do calcário (fundente) com a ganga (impurezas) do minério e as cinzas do carvão. A escória caracteriza-se por sua grande fluidez e seu baixo peso específico. Assim, no cadinho (reservatório), a escória e o gusa líquido separam-se por gravidade, formando duas camadas, isto é, a inferior (metálica) e a superior (escória), facilitando o vazamento de ambos os produtos.

4.2Produtos do alto-forno

O principal produto do alto-forno é o ferro gusa. O ferro gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre. De um modo geral, a maioria dos ferro gusas possíveis de serem obtidos em alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composições:

Carbono - 3 a 4,4%

Silício - 0,5 a 4,0%

Manganês - 0,5 a 2,5%

Fósforo - 0,05 a 2,0%

Enxofre - 0,20% máx.

Um outro produto do alto-forno é a escória, cuja composição varia igualmente dentro de largos limites, isto é:

SiO2 - 29 a 38%

Al2O3 - 10 a 22%

CaO + MgO - 44 a 48%

FeO + MnO - 1 a 3%

CaS - 3 a 4%

Este material depois de solidificado pode ser utilizado como lastro de ferrovias, material isolante etc... Sua mais importante aplicação dá-se na fabircação do chamado “cimento metalúrgico”.

Finalmente, o gás de alto-forno é um subproduto muito importante devido ao seu alto poder calorífico. Sua composição é a seguinte:

CO2 - 13%

CO - 27%

H2 - 3%

N2 - 57%

Este gás é utilizado na própria usina siderúrgica nos regeneradores, fornos diversos de aquecimento, caldeiras etc...

5Fabricação do aço

O ferro gusa é uma liga Fe-C com outro elementos resultantes do processo de fabricação. Estes outros elementos são o Si, Mn, P e S. Para a fabricação do aço, estes outros elementos, inclusive o carbono, devem ter seus teores reduzidos. Esta redução da concentração destes elementos químicos ocorre por oxidação.

Os “agentes oxidantes”, isto é, aqueles que iram oxidar o ferro gusa para baixar o teor dos elementos químicos, podem ser de natureza gasosa ( ar ou oxigênio) ou sólida (minério de ferro).

  • Processos pneumáticos  agente oxidante  ar ou oxigênio

  • Processo Siemens-Martin ou elétrico  agente oxidante  substâncias sólidas contendo óxidos (minério de ferro por exemplo).

5.1Processos pneumáticos

Os vários tipos estão representados na Figura 4. Como se vê na figura, o princípio básico de qualquer dos processos é introduzir ar ou oxigênio, pelo fundo, lateralmente ou pelo topo, através de uma “lança”. Estes diferentes tipos de equipamentos são chamados de conversores pneumáticos. Sendo as reações de oxidação dos elementos contidos no ferro gusa líquido fortemente exotérmicas, principalmente a do silício, não há necessidade de aquecimento da carga metálica do conversor, eliminando-se, assim, a utilização de qualquer combustível.

Figura 4 – Processos pneumáticos para produção de aço, a partir de ferro gusa.

Reações químicas de oxidação do ferro gusa:

As primeiras reações de oxidação do gusa são as seguintes:

2Fe + O2  2FeO Reação 15

2FeO + Si  SiO2 + 2Fe Reação 16

FeO + Mn  MnO + Fe Reação 17

O resultado da oxidação é a formação de sílica SiO2, que, juntamente com os óxidos de ferro e manganês que igualmente se formam durante o “sopro”, originam uma escória de baixo ponto de fusão, a base de silicatos de Fe e Mn.

A medida que o sopro continua, inicia-se a oxidação do carbono:

FeO + C  Fe + CO Reação 18

Após este primeiro estágio de oxidação, o metal está pronto para ser vazado na panela onde são, então, adicionadas as “ligas” Fe-Mn ou alumínio para desoxidar e dessulfurar o metal, segundo as seguintes reações:

FeO + Mn  MnO + Fe Reação 19

FeS + Mn  MnS + Fe Reação 20

ou

3FeO + 2Al Al2O3 + 3Fe Reação 21

Existem alguns problemas operacionais no processo de oxidação do ferro gusa. Os mais importantes são de controle do final da oxidação, da temperatura e da composição química do banho metálico. Os conversores mais conhecidos são o Bressemer, Thomas, de sopro lateral e de sopro pelo topo (conversor L-D).

5.2Processos elétricos

Nos fornos pneumáticos, o ferro gusa era transportado ainda líquido para dentro dos conversores e, o próprio calor gerado pela oxidação dos elementos químicos era suficiente para manter a temperatura do forno, sem precisar-se de nenhuma fonte auxiliar de energia. Os fornos pneumáticos era utilizados, basicamente, em usinas integradas (nestas usinas, a redução do minério de ferro, bem como a fabricação do aço são realizados no mesmo local), de forma que o ferro gusa pode ser transportado ainda líquido do alto-forno para os conversores.

Na maioria dos casos, contudo, as empresas compram o gusa sólido e, juntamente com sucata de aço, forma-se a carga para alimentar os fornos elétricos de produção de aço. Neste fornos, a fusão da mistura de sucata de aço e ferro gusa ocorre devido ao calor gerado por um arco voltaico que se forma entre três eletrodos de grafite e a carga metálica. Após a fusão da carga, oxigênio é injetado por uma lança diretamente no banho líquido. A redução dos teores dos elementos de liga ocorre, então, por oxidação, sendo que as reações são as mesma já descritas para os fornos pneumáticos. A fabricação do aço também conhecido como refino do aço incorpora duas etapas a saber, isto é, o refino primário e o refino secundário. No refino primário, são reduzidos os teores os teores de carbono, manganês, silício e fósforo. O calor liberado pela oxidação destes elementos químicos reduz o consumo de energia elétrica do forno. Durante o processo de oxidação, a composição química do banho líquido é monitorada por coleta de amostras e análise por espectrometria de emissão ótica. Quando o banho líquido atinge a composição química ideal, este é transportado para um outro forno, o a composição química final do aço é acertada (refino secundário). Neste segundo forno (forno panela), as “ferro-ligas” (Fe-Mn ou Fe-Si) são adicionadas. Estas ligas funcionam como dessulfurantes e desoxidantes, isto é, reduzem os teores de enxofre e oxigênio do aço. A dessulfurização é realizada de acordo com a seguinte reação:

Mn + S  MnS Reação 22

O enxofre é então reduzido pela formação do sulfeto de manganês (MnS) que vai para a escória. Já quanto à desoxidação, é inevitável que parte do ferro, durante o refino primário, sofra oxidação, de acordo com a seguinte reação:

Fe + O  FeO Reação 23

Então, na desoxidação, ocorre a seguinte reação e o óxido de manganês vai compor a escória.

FeO + Mn  Fe + MnO Reação 24

Contudo, é interessante comentar que nem todo o sulfeto de manganês (MnS) e o MnO vão para a escória. Parte destes compostos, bem como o próprio FeO permanecerão no aço como impurezas, chamadas de inclusões não metálicas, as quais devem ser criteriosamente controladas pois afetam diretamente as propriedades dos aços produzidos.

6Processos de redução direta

O princípio da “redução direta” consiste em tratar-se óxidos de ferro praticamente puros (Fe2O3 ou Fe3O4) a temperaturas usualmente entre 950 e 1050oC, na presença de uma substância redutora, resultando, freqüentemente uma massa escura e porosa, conhecida como “ferro esponja”.

A redução é realizada no estado sólido e os processos correspondentes têm por objetivo eliminar o alto-forno, produzindo-se o aço diretamente do minério ou produzindo-se um material intermediário, a ser empregado como “sucata sintética” nos fornos de aço.

Os processos de redução direta seriam aconselhados, pelo menos teoricamente, para países que não dispõem do melhor carvão de pedra coqueificável ou que não possuam minérios de alto teor em ferro.

Basicamente, todos os processos de redução direta podem ser agrupados em duas classes:

  • processos que utilizam redutores sólidos

  • processos que utilizam redutores gasosos

A Figura 5 representa, esquematicamente, o processo conhecido pelo nome de SL/RN. A carga consiste de concentrados de minério de ferro, na forma moída ou na forma de “pelotas”, coque e calcário moídos.

Figura 5 – Representação esquemática do processo SL/RN de redução direta.

A carga é levada a um forno rotativo, onde a temperatura é mantida na faixa de 1000 a 1076oC. O produto sólido resultante é resfriado e o ferro é separado mediante separador magnético. O coque não utilizado é removido e reutilizado. O processo permite produzir material contendo enxofre entre 0,02 e 0,05% apenas, o que o torna adequado para a utilização em fornos de aço.

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