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Siderurgia Processo de obtenção de aço

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Minério de ferro No Brasil as reservas de minério de ferro podem ser divididas em dois

sistemas:

- Sistema Norte – Minérios de alto teor

Esse sistema é composto pelo Complexo Minerador da Serra dos Carajás,

no Pará, e pelo Terminal Marítimo de Ponta da Madeira (TMPM), no

Maranhão.

A essas atividades está integrado o transporte de minério através da EFC

(Estrada de Ferro Carajás), atualmente no âmbito da área de negócio da

Logística.

Sistema Sul – baixo teor (precisam de concentração)

O Sistema Sul é composto por quatro complexos mineradores: Itabira,

Mariana, Minas Centrais e Minas do Oeste.

Esses complexos englobam mais de 15 minas, localizadas no Quadrilátero

Ferrífero, em Minas Gerais.

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Planta Usina integrada

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Ferro Primário

Fontes de Ferro

5mm<Pelotas<18mm 5mm<Sinter<50mm 6mm< Minério <40mm granulado

Em detalhe

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Processo de Pelotização

É o processo de aglomeração dos finos do minério

na forma de pelotas esférica).

Após a pelotização, estas sofrem um processo por

endurecimento a frio ou a quente.

Os aditivos geralmente utilizados são:

-Fundentes (calcário, dolomita);

- Aglomerantes (bentonita, cal hidratada); e

- Combustível sólido (antracito)

Existem basicamente dois tipos de pelotas:

PAF: Pelotas para Alto Forno

PRD: Pelotas para Redução Direta

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Processo de Pelotização

7

Processo de Pelotização

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Processo de Sinterização

É outra forma de aglomerar os finos de minério na forma irregular e/ou

esponjosa.

A sinterização ocorre por meio de uma combustão forçada de um

combustível previamente adicionado à mistura.

A mistura é composta:

- Finos minério de ferro;

- Fundentes – calcário, areia;

- Combustível – finos de coque; e

- Aditivos – corretivo de características para aproveitamento de resíduos

de recirculação.

Tecnologia criada com o objetivo de aproveitar minérios finos

(quantidade crescente no mundo) e resíduos industriais.

A sinterização atual visa basicamente elaborar uma carga de altíssima

qualidade para o AF.

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Forno de ignição Alimentador

Chaminé

Exaustor Caixa de Despoeiramento

Tambor de mistura

A B C D E F

Silos de armazenagem

INSUMOS Finos de retorno Finos de minério Coque Calcário Pó de alto forno

Fragmentação do bolo de sinter

Peneiramento a quente

Sinter

Peneiramento a frio Finos de retorno

Resfriador

rotativo

Processo de Sinterização

Máquina de sinterização

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Processo de Sinterização

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Mistura úmida

Camada de

Forramento

Gás

Forno de

ignição

Succção

Sinter

Zona de

Combustão

Mistura Seca e

Calcinada

Ar

Gás

Succção

Antes da queima Durante a queima

Forno de

ignição

Ar

Antes da queima Durante a queima

Processo de Sinterização – cont.

Forno de ignição e evolução do processo

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Coqueria

O coque é o produto sólido da destilação de uma

mistura de carvões realizada a em torno de

1100oC em fornos chamados coquerias.

A destilação dá origem aos produtos carbo-

químicos (gases, vapores condensáveis, benzol,

alcatrão, etc) que são comercializados pelas

siderúrgicas.

O gás de coqueria é um importante insumo para a

própria usina.

O processo de coqueificação consiste no

aquecimento do carvão mineral na ausência da ar.

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Fornecer o calor necessário às necessidades

térmicas do processo;

Produzir e "regenerar" os gases redutores;

Carburar o ferro gusa;

Fornecer o meio permeável nas regiões inferiores

do forno onde o restante da carga está fundida ou

em fusão.

A função do Coque no Alto Forno

Coqueria

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Seqüência de operação

Coqueria

15

Detalhes do processo

Típica Bateria de coqueificação

Coque incandescente

pronto para ser descarregado

Coqueria

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ALTO FORNO é um processo de redução em forno de cuba para a produção de metal líquido (gusa) a partir de pelotas, sinter, minério granulado e coque.

COREX® é um processo de redução em forno de cuba para produção de metal líquido a partir de pelotas, minério granulado e carvão não coqueificável.

FINMET® é um processo de redução direta em leito fluidizado utilizando finos de minério de ferro e gás natural, gerando um produto com 92% de metalização.

MIDREX® e HyL são processos de redução em forno de cuba utilizando gás redutor rico em CO para a produção de ferro esponja a partir de pelotas e minérios granulado.

Produção de ferro primário

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Alto Forno

O alto forno é um forno de cuba que operado em regime de contra

corrente.

No topo do forno o coque, calcário, e o material portador de ferro

(sinter, pelotas e minério granulado) são carregado em diferentes

camadas.

A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por gravidade reagindo

com o gás que sobe.

Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dos regeneradores) é

injetado através das ventaneiras.

Em frente as ventaneiras o O2, presente no ar, reage com o coque

formando monóxido de carbono (CO) que ascende no forno reduzindo

o óxido de ferro presente na carga que desce em contra corrente.

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Alto Forno

John A. Ricketts, Ispat Inland, Inc.

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A matéria prima requer de 6 a 8 horas para alcançar o fundo do forno

(cadinho) na forma do produto final de metal fundido (gusa) e escória

líquida (mistura de óxidos não reduzidos). Estes produtos líquidos

são vazados em intervalos regulares de tempo.

Os produtos do alto forno são:

- Gusa líquido;

- Escória (matéria-prima para a indústria de cimento), e

- Gases de topo e material particulado.

Uma vez iniciada a campanha de um alto forno ele será operado

continuamente de 4 a 10 anos com paradas curtas para

manutenções planejadas.

Alto Forno

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Alto Forno

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22

23

Processo Temperatura (°C) H (kJ/Kmol) Evaporação da umidade 100 + 6,490 Remoção da água de hidratação 120 - 300 + 7,955

Remoção do CO2: 3 MnCO3 Mn3O4+CO2+CO 3 FeCO3 Fe3O4+CO2+CO FeCO3 FeO+CO2

> 525 380 - 570

> 570

+ 363,791 + 236,973 + 112,206

Redução do Fe2O3 a Fe3O4: 3Fe2O3+CO Fe3O4+CO2 400 - 550 - 52,854 Remoção do CO2: MgCO3 MgO+CO2 MgCO3

.CaCO3 MgO

.CaO+CO2

400 - 500 400 - 750

+ 114,718 + 304,380

Decomposição do CO: 2CO CO2+C 450 - 600 - 172,467 Redução do Fe3O4 a FeO: Fe3O4+CO 3FeO+CO2 570 - 800 + 36,463 Remoção do CO2: CaCO3 CaO+CO2 850 - 950 + 177,939 Redução do FeO a Fe: FeO+CO Fe+CO2 650 - Ts - 17,128 Reação de Boudouard: CO2+C 2CO > 900 + 172,467 Fusão da escória primária 1100 + 921,1 (kg slag) Dissolução do CaO na escória primária 1250 + 1046,7 (kg Fe) Combustão do Ccoque: Ccoque+O2 CO 2Ccoque+CO2 2CO Ccoque+0.5O2 CO

1800 - 2000 2000 - 1450

1550

- 406,120 + 172,467

- 116,83

Alto Forno

Reações químicas típicas do Alto Forno

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Alto Forno

Minério

Coque

Zona

Granular

Zona

de Amolecimento

e Fusão

Zona

de Coque Ativa

Camada

em Amolecimento

e Fusão

Zona

de Combustão

Cadinho

Zona de

Gotejamento

Zona

de Coque

Estagnado

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COQUE MINÉRIO

Fe2O3 MnO2 P2O5 K2O SiO2 CaO Al2O3

ESCÓRIA

GUSA

Fe3O4

FeO

FeO

Fe (99%) Si (10%)

SiO2 CaO Al2O3 P2O5

P (95%)

GÁ

S

K2O

GÁ

S

C

C (12%)

GÁ

S

Mn (70%)

MnO

GÁ

S

Mn3O4

MnO

As condições termodinâmicas existentes no interior do reator

promovem a incorporação de algumas impurezas ao gusa líquido

e separa outras na fase escória e gás.

Alto Forno

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Pré-tratamento do gusa

Hot Metal Pretreatment

De forma a maximizar a produtividade do Conversor

LD ou Forno a Arco Elétrico (EAF) e minimizar os

custos de refino é importante executar um pré-

tratamento do gusa antes da fase de refino.

O pré-tratamento do gusa inclui:

- remoção de enxofre

- remoção de silício

- remoção de fósforo

- processos para redução do teor de V, Cr, Ti e Mn

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Planta de dessulfuração

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Produção do Aço Líquido

A produção do aço líquido se dá através da oxidação

controlada das impurezas presentes no gusa líquido

e na sucata.

Este processo é denominado refino do aço e é

realizado em uma instalação conhecida como

aciaria.

O refino do aço normalmente é realizado em

batelada pelos seguintes processos:

- Aciaria a oxigênio – Conversor LD (carga

predominantemente líquida).

- Aciaria elétrica – Forno elétrico a arco – FEA

(carga predominantemente sólida).

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Conversor LD

Responsável por cerca 60% (540 milhões ton/ano)

da produção de aço líquido mundial, a tecnologia

continua a ser a mais importante rota para a

produção de aço, particularmente, chapas de aço de

alta qualidade.

Processo industrial teve início em 1952, quando o

oxigênio tornou-se industrialmente barato. A partir

daí o crescimento foi explosivo.

Permite elaborar uma enorme gama de de tipos de

aços, desde o baixo carbono aos média-liga.

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Conversor LD

32

Conversor LD

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Aciaria Elétrica

Processo industrial começou no início do século XX.

Inicialmente, o forno elétrico era considerado

sobretudo como um aparelho para a fabricação de

aços especiais, inoxidáveis e de alta liga.

Atualmente, ele tem sido cada vez mais utilizado na

fabricação de aço carbono.

Processo reciclador de sucata por excelência; não

há restrição para proporção de sucata na carga.

A participação do aço elétrico no mundo vem crescendo substancialmente nas últimas décadas.

34

Aciaria Elétrica

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Metalurgia de Panela

Após o refino, o aço ainda não se encontra em

condições de ser lingotado. O tratamento a ser feito

visa os acertos finais na composição química e na

temperatura. Portanto, situa-se entre o refino e o

lingotamento contínuo na cadeia de produção de

aço carbono.

Desta forma o FEA ou o conversor LD pode ser

liberado, maximizando a produção de aço.

- Forno de panela

- Desgaseificação

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As seguintes operações podem ser executadas:

- Homogeneização do calor;

- Ajuste da composição;

- Ajuste da temperatura do aço;

- Desoxidação – remoção do oxigênio residual do aço

e cria condições termodinâmicas para a adição de

elementos de liga (os desoxidantes mais comuns são

ferro-ligas, escolhidos em função do aço a ser

fabricado (FeMn, FeSiMn) e Alumínio.

- Desulfuração com escória sintética ou injeção de pós;

- Desfoforação

Forno de Panela

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Forno de Panela

Forno na metalurgia de panela

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É uma operação que tem como objetivo a remoção

de gases residuais do aço (hidrogênio, nitrogênio e

oxigênio) e secundariamente auxilia na remoção

de inclusões.

Na siderurgia, a desgaseificação é processada de

duas maneiras:

- Desgaseificação à vacuo

- Desgaseificação com sopro de argônio

Desgaseificação

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Desgaseficação a vácuo

Desgaseificação

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Toda a etapa de refino do aço se dá no estado

líquido. É necessário, pois, solidificá-lo de forma

adequada em função da sua utilização posterior.

O lingotamento do aço pode ser realizado de três

maneiras distintas:

- DIRETO: o aço é vazado diretamente na lingoteira;

- INDIRETO: o aço é vazado num conduto vertical

penetrando na lingoteira pela sua base;

- CONTÍNUO: o aço é vazado continuamente para

um molde de cobre refrigerado à água.

Lingotamento

41

Lingotamento Contínuo

42

O lingotamento contínuo é um processo pelo qual o

aço fundido é solidificado em um produto semi-

acabado, tarugo, perfis ou placas para subseqüente

laminação.

Antes da introdução do lingotamento contínuo, nos

anos 50, o aço era vazado em moldes estacionário

(lingoteiras).

Lingotamento Contínuo

Seções possíveis

no lingotamento

contínuo (mm)

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Conformação

A grande importância dos metais na tecnologia

moderna deve-se, em grande parte, à facilidade com

que eles podem ser produzidos nas mais variadas

formas, para atender a diferentes usos.

Os processos de fabricação de peças a partir dos

metais no estado sólido podem ser classificados em:

- Conformação Mecânica: volume e massa são

conservados;

- Remoção Metálica ou Usinagem: retira-se material

para se obter a forma desejada;

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Os processos de conformação mecânica podem ser

classificados de acordo com o tipo de força aplicada

ao material:

- Compressão direta: Forjamento, Laminação;

- Compressão indireta: Trefilação, Extrusão,

Embutimento;

- Trativo: Estiramento;

- Dobramento: Dobramento;

- Cisalhamento: Corte.

Conformação

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Extrusão: Processo no qual um bloco de metal tem

reduzida sua seção transversal pela aplicação de

pressões elevadas, forçando-o a escoar através do

orifício de uma matriz.

Trefilação: Processo que consiste em puxar o metal

através de uma matriz, por meio de uma força de

tração a ele aplicada na saída dessa mesma matriz.

Tipos de Conformação

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Forjamento: Processo de transformação de metais por

prensagem ou martelamento (é a mais antiga forma de

conformação existente).

Laminação: Processo de deformação plástica no qual

o metal tem sua forma alterada ao passar entre rolos e

rotação. É o de maior uso em função de sua alta

produtividade e precisão dimensional. Pode ser a quente

ou a frio.

Tipos de Conformação

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Dobramento

Forjamento

Laminação

Trefilação

Embutimento

Profundo Estiramento

Matriz

Cisalhamento

ExtrusãoExtrusão

Tipos de Conformação

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Lingotamento e Laminação

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Nomenclatura para Aços