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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.

1 Fornos 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 → CO2CO2 + 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).

2 Desenvolvimento 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

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

- Minério de ferro

- Carvão

- Calcário

3.1 Minério 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

3.1.1 Beneficiamento 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 altosfornos. 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.

3.2 Carvão 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.

3.3 Fundente 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.

3.4 Outras 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.

4 Produção 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. 4.1 Operação 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:

Originando-se grande quantidade de calor.

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

CO2 + C →→→→ 2COReação 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 + CO2Reação 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 + CO2Reação 5
Fe3O4 + CO →→→→ 3FeO + CO2Reação 6

ou

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