Abm siderurgia para nao siderurgistas

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Abm siderurgia para nao siderurgistas

  1. 1. SIDERURGIA PARA NÃOSIDERURGISTAS
  2. 2. Marcelo Lucas Pereira Machado Engenheiro Metalurgista – UFF – RJ Mestre em Engenharia Metalúrgica – PUC-RJPós-Graduado em Educação / Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFES Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais Vicente de Paulo Ferreira Marques Sobrinho Engenheiro Metalurgista, Especialista em EngenhariaProfessor de Siderurgia do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais Lúcio Flávio Arrivabene Engenheiro Metalurgista – UFOP – MG Mestre em Engenharia Ambiental - UFES Pós Graduado em Sistemas de Produção de Petróleo Offshore – COPPE - RJ Pós-Graduado em Educação Escolar – FAESA Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais Consultor Ambiental – Fundação Ecossistemas - ES Vitória -ES 2003 2
  3. 3. APRESENTAÇÃOO presente material didático serve como mais um instrumento do processo ensinoaprendizagem visando fornecer uma visão geral dos processos siderúrgicos desde asmatérias primas até os produtos finais (placa ou tira laminada a quente).O curso Siderurgia Aplicada, objetiva, portanto, apresentar em linhas gerais e numcurto espaço de tempo estimado de quarenta horas, uma visão geral dos processossiderúrgicos e das matérias primas; bem como os processos de redução direta eindireta, os processos de fabricação do aço e os processos de conformação mecânicade metais.Durante a abordagem dos conteúdos, toma-se o cuidado para que não ocorra umaprofundamento do conhecimento teórico, dando-se ênfase aos aspectos tecnológicosdo processo de produção de aço pela Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST,situada em Ponta de Tubarão, Espírito Santo.A preocupação com o meio ambiente também é fator relevante e será enfocado emtodas as etapas dos processos de produção. Fica claro que o assunto será abordadosempre do ponto de vista prático em consonância com os objetivos a serem atingidospela empresa frente à comunidade como um todo.Registra-se o agradecimento à Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST, à DireçãoGeral e servidores do CEFET/ES e aos demais colegas profissionais da área e emparticular aos professores da Coordenação de Metalurgia e Materiais do CEFET/ES. 3
  4. 4. SUMÁRIO01 - Considerações Gerais.............................................................................................0701.1 -Histórico da Siderurgia..........................................................................................0701.2 - Conceitos Básicos................................................................................................0901.3 - Principais produtos siderúrgicos...........................................................................0901.3.1 - Diagrama de equilíbrio Ferro – Carbono...........................................................1001.4 - Classificação dos Aços.........................................................................................1201.5 - Importância dos produtos siderúrgicos.................................................................1301.6 - Fluxogramas de usinas siderúrgicas....................................................................1401.6.1 - Fluxograma reduzido de usinas integradas.......................................................1401.6.2 - Fluxograma da CBF..........................................................................................1501.6.3 - Fluxograma da Siderúrgica Belgo Mineirade Jardim América..........................1601.6.4 - Ciclo Operacional da CST.................................................................................1601.7 - Fluxograma da CST.............................................................................................1902 - Visão geral das matérias primas.............................................................................202.1 - Introdução...............................................................................................................202.2 - Matérias primas para Sinterização e Alto Forno....................................................202.2.1 - Classificação das matérias primas......................................................................202.2.1.1 - Minérios de Ferro.............................................................................................202.2.2 - Características dos Minérios de Ferro para Sinterização....................................212.2.2.1 - Características Físicas.....................................................................................212.2.2.2 - Características Químicas.................................................................................222.2.3 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno.......................................222.2.3.1 - Características Físicas dos Minérios de Ferro para Alto Forno.......................232.2.4 -Fundentes.......................................................................................................................232.2.5 - Matérias primas de Geração Interna...................................................................232.2.6 - Adições................................................................................................................242.2.7 – Pelotas de minério de ferro.................................................................................242.3 - Carvão Mineral e Vegetal.......................................................................................262.3.1 - Origens e Geologia.................................. .............................. ............................262.3.2 - Variedades de Carvões.......................................................................................2703 - Preparação das matérias primas................................................... .........................3003.1 - Recebimento das matérias primas.................................................... ..................3003.2 - Britação.................................. .............................. .................................. ...........3003.3 - Moagem.................................. ................................................................. ...........3003.4 - Peneiramento.................................. ............................... ....................................3003.5 - Calcinação.................................. .........................................................................3103.6 - Coqueria.................................. ........................................... ................................3203.6.1- Fluxograma da Coqueria da CST............................... .................................. ....3203.6.2 - Preparação da mistura de carvões............................... ....................................3303.6.3 - Enfornamento.................................. .............................. ..................................3303.6.4 - Aquecimento/Coqueificação................................ .................................. ..........3603.6.5 - Desenfornamento................................ .................................. ..........................3803.6.6 - Apagamento.................................. ...................................................................3803.6.6.1 - Apagamento a úmido................................ .................................. .................3803.6.6.2 - Apagamento a seco.................................. .................................. ..................3903.6.7 - Preparação do coque......................................................................... ..............41 4
  5. 5. 03.6.8 - Tratamento das matérias voláteis.................................. ..................................4103.7 - Sinterização................................................................... .................................. ...4303.7.1 - Princípio da sinterização................................. .................................. ..............4303.7.2 - Movimento da frente de combustão................................. ................................4303.7.3 – Reações durante a sinterização.................................. ....................................4403.7.4 - Fluxograma de uma sinterização................................. ....................................4503.7.5 - Máquinas de sinterização................................. .................................. .............4603.7.6 - Preparação do sínter................................. .................................. ....................4704 - Processos de redução dos minérios de ferros............................... ........................4804.1 - Processos de redução direta................................................................... ............4804.2 - Processos de redução indireta.............................................................................5004.2.1 – Alto forno............................... .................................. .......................................5004.2.1.1 - Ferro gusa e subprodutos................................ .................................. ..........5104.2.1.2 - Impactos ambientais gerais causados pela escória.......................................5204.2.1.3 - Corpo principal do Alto Forno................................. .......................................5404.2.1.4 – Aspectos internos do Alto Forno.................................. .................................5404.2.1.5 - Periféricos do Alto Forno............................... ................................................5905 - Dessulfuração na CST................................................................... ........................6605.1 – Reações na dessulfuração................................. .................................. .............6606 - Produção do aço no convertedor............................................................................6806.1 -Processos de sopro pneumático.................................. ........................................6806.1.1 - Processos de sopro a oxigênio................................. .......................................6906.1.1.1 - Convertedor LD.................................................................... .........................7106.1.1.2 - Convertedor LD-KGC.................................. .................................. ...............7506.1.1.3 - Convertedor K-BOP e Q-BOP.................................. .....................................7607 - Refino secundário............................... .................................. .................................7707.1 - Definição.................................................................... .................................. .......7707.2 - Classificação dos processos.............................. .................................................7808 - Lingotamento Contínuo............................... .................................. ........................8308.1 - Características................................ .................................. ..................................8308.2 - O processo de lingotamento contínuo.................................. ...............................8408.3 - Operação................................ .................................. ..........................................8508.4 - Importância do controle do processo nas propriedades metalúrgicas.................8708.5 – Comparação entre os rendimentos no lingotamento convencional e contínuo...8809 - Fornos de Aquecimento................................ .................................. ......................8909.1 - Classificação dos fornos de reaquecimento................................. .......................9009.1.1 - Fornos descontínuos ou intermitentes............................... ..............................9009.1.2 - Fornos contínuos.................................. .................................. .........................9109.2 - Produção.................................. ................................ .................................. .......9310 - Laminação.................................................................... ..........................................9510.1 - Definições dos produtos laminados.................................. ...................................9710.1.1 - Classificação dos produtos semi-acabados................................. ....................9810.1.2 - Classificação dos produtos acabados.................................. ............................9810.2 - Classificação dos laminadores...........................................................................100 5
  6. 6. 10.3 - Órgãos mecânicos de um laminador.................................. ...............................10710.4 – Laminação a quente..........................................................................................11210.4.1 – Laminação de tiras a quente............................... ..........................................11410.4.2 - Aspéctos metalúrgicos na laminação da laminação a quente.........................12011 - Consumo de energia elétrica numa usina siderúrgica..........................................12712 - Referências bibliográficas............................... .................................. ..................128 6
  7. 7. 01 - CONSIDERAÇÕES GERAIS01.1— HISTÓRICO DA SIDERURGIAProvavelmente, o cobre nativo foi o primeiro metal empregado pelo homem nafabricação de utensílios.A obtenção de ferro metálico, provavelmente, veio a ocorrer apenas no períodoneolítico, quando o carvão usado nas fogueiras protetoras das cavernas habitacionaisreduziram o solo de minério de ferro a ferro primário, que, posteriormente, eraelaborado e conformado.Certamente, o país que mais se destacou na história da siderurgia foi a Inglaterra. Aextração de ferro metálico nesse país remota a 400 AC e a obtenção de ferro gusa emalto forno a coque ocorreu no século XVIII.Por ser abundante e suas ligas possuírem propriedades adaptáveis a quase todas ascondições requeridas, logo o ferro se tornou o metal mais empregado. Desde então, ametalurgia passou a se dividir em siderurgia e metalurgia dos não ferrosos.A siderurgia se tornou tão importante que passou a servir de padrão medidor dodesenvolvimento das nações. Desde então, são consideradas fortes as nações dotadasde elevadas capacidades de produzir e/ou comercializar produtos siderúrgicos e seusinsumos.Logo após a descoberta do Brasil pelos portugueses, ocorreu por aqui enorme procurapelos metais. Em 1554 o Padre Anchieta relatou à Corte Portuguesa a existência deferro e em 1587 Afonso Sardinha iniciou a produção de ferro na Freguesia de SantoAmaro, São Paulo.Mais tarde foram descobertas as grandes jazidas de ferro das Minas Gerais, pensando-se, na ocasião, que eram reservas inesgotáveis, a ponto de uma pessoa ilustredenominar Minas Gerais de peito de ferro das Américas. Apesar de tão grandepotencial, Portugal impediu o desenvolvimento da siderurgia brasileira durante operíodo colonial.Durante o período do Brasil Império, ocorreram algumas iniciativas importantesrelacionadas com a produção de metais, porém, não consolidaram.Um fato histórico notável foi a entrada do Brasil na Segunda grande guerra, no blocodos Aliados, quando recebemos acessoria americana para a implantação da CSN,empresa que consolidou nosso país como produtor de aço.A consolidação do parque siderúrgico nacional foi liderado pela SIDERBRÁS durante ogoverno militar, que construiu e ampliou as grandes usinas siderúrgicas estatais paradarem sustentação a todo o parque industrial brasileiro. Entre elas destaca-se a CSN,COSIPA, USIMINAS, Cia. Ferro e Aço de Vitória, CST e AÇOMINAS. A seguirmostraremos algumas figuras que ilustram esse período histórico. 7
  8. 8. Fig.1.1 – Tipo de forja Catalã usada por Fernando sardinha em 1587 Fig.1.2 – Perfil de um forno CatalãoFig.1.3 – Forja Catalã acionada por foles manuais, da Idade Média. 8
  9. 9. Fig.1.4 – Alto forno de 1640, com acionamento hidráulico. Os fornos eram construídos juntos de barrancos para permitir o carregamento pelo topo por carrinhos de mão.Fig.1.5 – Foto de um alto forno americano do século XVII, com foles acionados por roda d’água.01.2 - CONCEITOS BÁSICOSMETALURGIA: é a arte de extrair do(s) minério(s) o(s) metal(is),elaborá-lo(s) econformá-lo(s) com o fim de produzir os objetos necessários à humanidade.DIVISÃO DA METALURGIA: A metalurgia pode ser dividida em siderurgia e metalurgiados não ferrosos.SIDERURGIA: É a metalurgia do ferro e suas ligas.METALURGIA DOS NÃO FERROSOS: É a metalurgia dos outros metais, como doalumínio e suas ligas, do cobre e suas ligas, do ouro, etc.01.3 - PRINCIPAIS PRODUTOS SIDERÚRGICOSOs produtos siderúrgicos se dividem em duas famílias principais, os aços e os ferrosfundidos. 9
  10. 10. A melhor maneira de se entender a diferença entre aços e ferros fundios é fazermosuma rápida análise do diagrama ferro-carbono.01.3.1 - DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO – CARBONOEsse diagrama é geralmente apresentado até 6,7% de carbono, porque este elementoforma com o ferro o composto Fe3C (cementita) que é extremamente duro e contém,aproximadamente, 6,7% de carbono. Fig.1.6 – Diagrama de Equilíbrio Ferro-CarbonoComo pode ser visto no diagrama Fe-C., o ferro puro (isento de carbono), apresenta-seaté 912oC sob a forma alotrópica alfa (α) e acima de 912oC até 1354oC no estadoalotrópico (γ). Essas formas alotrópicas se caracterizam por possuírem reticuladoscristalinos diferentes para os átomos de ferro: o ferro α possui reticulado cúbico decorpo centrado (CCC) e o ferro γ possui reticulado cúbico de face centrada (CFC).A fig.1.7 mostra os reticulados cristalinos dos átomos de ferro nas formas alotrópicasCCC e CFC. Observa-se que a estrutura CCC possui somente um átomo de ferro no 10
  11. 11. centro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui átomos de ferrono centro das faces do reticulado. Estrutura Estrutura CCC CFCFig.1.7 – Esquema mostrando as estruturas cristalinas cúbicas de corpo centrado CCC e de face centrada CFC.Nota-se também no diagrama Fe-C que à medida o teor de carbono aumenta até olimite de 0,77%C obtêm-se a estrutura austenitica (Fe γ) a temperaturas cada vez maisbaixas até o limite de 727oC. Esta faixa de teor de carbono de 0 a 0,77%C é onde sesitua praticamente todos os aços comercialmente utilizados no mundo.Os átomos de carbono ocupam os espaços vazios dos reticulados de átomos de ferro ecomo pode ser observado na fig.1.6, a fase austenítica (estrutura CFC) tem capacidadepara absorver mais carbono do que a fase ferrítica (estrutura CCC).A estrutura CFC devido ao seu formato de empilhamento é muito mais fácil de serdeformado do que a estrutura CCC. Desta forma, para se laminar a quente um aço,deve-se primeiro alcançar a estrutura austenítica, ou seja: conforme o teor de carbono,aquecer o aço em torno de 800 a 880oC, para em seguida fazer a deformação nolaminador. Desta forma, economiza-se energia, equipamentos, tempo, e viabilizaeconomicamente o produto além de poder conferir boas propriedades mecânicas emetalúrgicas ao aço posteriormente ou durante a laminação.Para se ter uma idéia da facilidade de deformação de um metal com estrutura cristalinaCFC, o chumbo é um material que possui esta estrutura na temperatura ambiente e oferro por outro lado, na temperatura ambiente possui estrutura CCC.Como o aço é um material produzido para ser deformado, ele deve no aquecimentoproduzir uma estrutura totalmente austenítica, ou seja, deve possuir teor de carbonoinferior a 2%, como pode ser visto no diagrama Fe-C. Apesar de na prática, os açoscomerciais não ultrapassam a 0,8%.Por outro lado, os ferros fundidos são produzidos já no formato da peça final, portantonão sofrerão deformações posteriores, o seu teor de carbono está acima de 2%.Então, por definição os aços são produtos siderúrgicos com menos de 2%C,usualmente, obtidos em convertedores pelo refino do ferro gusa. Existem centenas detipos de aços, podendo-se destacar as seguintes famílias:Aços carbono comuns, Aços micro-ligados, Aços ligados de baixa liga, Aços de altaliga: Inoxidáveis ferríticos, inoxidáveis austeníticos, para ferramentas e matrizes, etc. 11
  12. 12. Os ferros fundidos são produtos siderúrgicos primários, geralmente, produzidos emaltos fomos. Teoricamente seu teor de carbono está acima de 2%; contudo, na práticaa maioria dos ferros fundidos tem de 4 a 4,3%C. Exemplos de ferros fundidos:Ferros fundidos brancos, ferros fundidos cinzentos, ferros fundidos maleabilizados,ferros fundidos nodulares, etc.01.4 - CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOSOs aços podem ser classificados com base em diferentes parâmetros, tais comodureza, aplicações, normas técnicas, etc.De acordo com a dureza, os aços se dividem nos seguintes grupos: • Aços extra-doces: Abaixo de 0,15%C, • Aços doces: 0,15 a 0,30%C, • Áços meio-doces: 0,30 a 0,40%C, • Aços meio-duros: 0,40 a 0,60%C, • Aços duros: 0,60 a 0,70%C, e • Aços extra-duros: Acima de 0,70%C.Como se pode deduzir pelos dados acima, as durezas dos aços dependem dos seusrespectivos teores de carbono.Há dezenas de normas técnicas sendo que são usadas na classificação dos aços,contudo, nesse trabalho, citaremos apenas alguns exemplos da classificação de açospela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).Parte da Tabela da ABNTTipo do Aço ClasseAço carbono comum I0XXAço níquel (3,5%) 23XXAço Níquel-cromo 3YXXAço cromo(0,95%)-molibdênio(0,2%) 41XXAço cromo 51XXOutrosPela ABNT, os dois primeiros dígitos indicam o(s) elemento(s) de liga existente(s) noaço, além do carbono. O número decimal expresso na posição do XX se refere àporcentagem de carbono contido pelo aço. Exemplos:Aço ABNT 1010: aço carbono comum com aprox. 0,1%C.Aço ABNT 1045: aço carbono comum com aprox. 0,45%C.Aço ABNT 4140: aço com aprox. 0,95%Cr-0,2%Mo-0,4%C.Como foi dito anteriormente, existem muitas normas usadas na classificação dosprodutos siderúrgicos, portanto, é necessário tê-las em mão ao proceder aclassificação, para evitar o registro de enganos. 12
  13. 13. 01.5 – IMPORTÂNCIA DOS PRODUTOS SIDERÚRGICOSO êxito alcançado pelos produtos siderúrgicos se deve a vários fatores, dentre os quaiscitaremos alguns, sem desmerecer os demais.Baixo preço:O preço dos produtos siderúrgicos é insuperável pelos demais que tenhamcaracterísticas semelhantes, o que lhes confere elevada competitividade. Exemplos: Lingotes de ferro gusa: R$220,00It Placas de aço carbono: R$450,00It Chapas de aço carbono: R$1.200,00It Chapas de aço inox. Ferrítico: R$6.000,00It Chapas de aço inox. Austenítico: R$13.000,00It Chapas de alumínio: R$12.000,00/t Chapas de alumínio ligado: R$30.000,00It Chapas de cobre: R$15.000,00ItPropriedades Versáteis:É possível conferir ao produto siderúrgico as propriedades necessárias, sem onerarmuito o custo de produção. Exemplos:Um aço ABNT 1080 pode adquirir diferentes durezas pela aplicação de tratamentostérmicos corretos: - Esferoidizado: 100HB - Plenamente recozido: 200HB - Temperado: 65RC (acima de 650HB, por comparação)O aço carbono comum possui os inconvenientes de oxidar-se e ser atacado por ácidos,contudo, pela adição de alto cromo pode se transformar no aço inoxidável ferrítico quenão oxida e, ainda, pelas adições de cromo e níquel, forma os aços inoxidáveisausteníticos que são passivos à oxidação e a ação de ácidos.Matérias Primas Abundantes: O esgotamento das jazidas de ferro está previsto paraquatro séculos.Domínio da Tecnologia Siderúrgica:Nenhum metal ainda é tão conhecido quanto o ferro.Política Administrativa:Toda nação que espera prosperar deve possuir, bem elaborada, uma política deprodução e comercialização de produtos siderúrgicos, caso contrário, terá grandesdificuldades em seu desenvolvimento e, até mesmo sobrevivência como nação.Agregação de Valor ao Minério:Para que uma nação prospere, não basta que tenha grandes reservas minerais, asexplore e venda seus minérios; pois, seus preços são muito baixos no mercadomundial. É preferível extrair os metais, produzir ligas, conformá-las e, então, vender osprodutos obtidos. Os preços dos minérios de ferro e dos produtos siderúrgicoscomprovam esse fato.A CST compra anualmente aproximadamente 7.000.000t de sinter feed pelo valorestimado de R$210.000.000.00 e pode arrecadar com a exportação de suas placas aquantia de R$1.800.000.000,00. Como se pode deduzir, nesse caso, há uma ampliação 13
  14. 14. de receita acima de R$1.500.000.000,00, além de solucionar parte do problema dodesemprego.01.6 - FLUXOGRAMAS DE USINAS SIDERÚRGICASFluxograma é uma representação gráfica que indica o caminho percorrido pelasmatérias primas, suas transformações e, finalmente, a entrega dos produtos que sepropõe produzir.As usinas siderúrgicas podem ser integradas, semi-integradas e não-integradas.As usinas siderúrgicas integradas adquirem as matérias primas no estado bruto,executam todas as fases do processo industrial e vendem os produtos acabados.Em princípio, quanto maior for o grau de integração de uma usina, mais competitivo setomam seus produtos no mercado. Geralmente, são usinas de grande porte, queexigem investimento muito elevado antes de entrarem em operação. Quando não hácapital suficiente, uma usina pode iniciar sua produção como usina não integrada e, àmedida que vai aumentando seu capital, pode passar a semi-integrada e, finalmente,totalmente integrada.01.6.1 - FLUXOGRAMA REDUZIDO DE USINAS INTEGRADAS Matérias Primas Minérios, carvões, fundentes, etc Preparação das matérias primas Sinterização, pelotização, etc Extração do metal Alto-forno, etc Elaboração Aciaria, refino secundário, etc Conformação Ling. contínuo, laminação, fundição Produto final acabado Perfiz, vergalhões, Tiras, chapas 14
  15. 15. Matérias Primas da Siderurgia: Minérios de ferro, carvão vegetal, carvões minerais,fundentes (calcário, dolomita, etc.), sucatas, Oxigênio, combustíveis, ferro-ligas eoutros.Operações de Preparação das Matérias Primas: Britagem, peneiramento, moagem,coqueria, sinterização, pelotização, calcinação, dessulfuração e outros.Extração: A extração do ferro geralmente é feita por fusão redutora em altos fomos acarvão vegetal ou a coque, sob temperaturas muito elevadas, quando os minérios deferro são transformados em ferro gusa líquido e escória. A extração do ferro tambémpode ser feita em forno elétrico a arco e por um dos processos de redução direta.Aciaria: A aciaria tem a finalidade de produzir aços, podendo usar como matériasprimas principais ferro gusa e/ou sucata ferrosa, além da cal, oxigênio e outros.Conformação: Os processos de conformação visam conferir ao metal ou liga as formasque os produtos devem Ter, podendo ser por fundição, forjamento, laminação,trefilação, extrusão, estampagem e outros.Principais Produtos: Peças fundidas (blocos de motores, etc.), peças forjadas(ferramentas, machado, etc.), chapas, tiras, vergalhões, etc.01.6.2 - FLUXOGRAMA DA CBF:Se trata de uma usina siderúrgica não integrada que reduz minério de ferro em altofomo a carvão vegetal, produzindo ferro gusa, que é vendido para fundições e aciarias. Carvão vegetal Minério granulado Fundentes Ar ALTO FORNO Poeiras e gases Escória Gusa líquido Gusa sólido vendas 15
  16. 16. 01.6.3 - FLUXOGRAMA DA SIDERÚRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMÉRICATrata-se de uma usina siderúrgica não integrada que produz perfiz de aço, usando oaço obtido em aciaria a arco elétrico, que utiliza como matérias primas principaissucatas ferrosa, além de ferro gusa, cal, ferro-ligas e outros. Sucata Ferros-ligas Gusa Fundentes Oxigênio Aciaria Elétrica Escória Poeiras e gases Aço líquido Lingotamento contínuo Lingotes Laminação Perfiz e vergalhões Trefilação01.6.4 - CICLO OPERACIONAL DA CSTNormalmente, uma usina siderúrgica integrada como a CST, é constituída, além do AltoForno para a produção de ferro gusa, de outras unidades beneficiam as matériasprimas básicas utilizadas no processo, unidades que produzem insumos para consumoem outras unidades e unidades que completam o processo, dando como resultado finalo aço, constituído elementos acabados ou semi-acabados, como é o caso da CST, queproduz placas grossas de aço para utilização em outras usinas de beneficamento elaminados de tiras a quente.As principais unidades que compõem a CST são:• Pátio de estocagem e mistura de carvão para a produção de coque; 16
  17. 17. • Pátio de estocagem de minério e fundentes onde ocorre a produção da mistura dos materiais necessários à produção de sinter consumido no Alto Forno. Alternativamente à utilização do sinter, pode-se ter o consumo de pelotas capaz de substituir o sinter em parte ou integralmente;• Coqueria que produz o coque para a composição de carga do Alto Forno juntamente com minério de ferro, sinter e/ou pelotas;• A coqueria gera alguns efluentes sólidos, líquidos e gasosos, que são reaproveitados em sua quase totalidade no próprio processo. Um desses efluentes é o COG - gás de coqueria, que é um rico a combustível utilizados em várias unidades da usina, principalmente no Alto Forno;• O processo pode substituir, em parte, o coque por carvão pulverizado, que é injetado na parte inferior do Alto Forno (na região das ventaneiras). Este será o caso do Alto Forno II, que consumirá grande parte de carvão pulverizado que será produzido na unidade de PCI;• Sinterização, que é a unidade de produção do sinter consumido no Alto Forno como é o caso atual da CST. O sinter é produzido na máquina de sinter utilizando minério de ferro bitolado, minério de manganês, fundente constituído de finos de calcário e combustível constituído de finos de coque e o COG, que tem também é utilizado.• Utilidades: sob esta denominação são consideradas várias unidades que produzem insumos complementares para o consumo em outros unidades da usina. Desta forma, tem-se a casa de força para a geração de eletricidade, vapor e ar soprado, onde é utilizado o gás do Alto Forno juntamente com o de coqueria (BFG+COG). Ainda sob denominação de utilidades, tem-se a unidade de fracionamento de ar, que produz oxigênio e nitrogênio utilizados em várias unidades do processo industrial (Alto Forno, Sinterização, Coqueria, Lingotamento, Dentre outras unidades). Estação de tratamento de água (ETA) e recirculação, que promove o reaproveitamento, em circuito fechado, da maior parte da água doce utilizada. Unidade de ar comprimido que alimenta várias unidades com ar, também é utilizado no processo de fracionamento de ar, também utilizado no resfriamento de vários elementos envolvidos no processo industrial;• Calcinação, que utiliza o calcário para produção de cal, consumida na Aciaria e na Sinterização;• Aciaria, que produz o aço a partir do ferro gusa (processo de oxidação em convertedores LD);• Unidade de lingotamento ( contínuo ) que promove a moldagem do produto final (placas) que podem ser enviadas para o cliente ou alimentar a laminação de tiras a quente.• Unidade de Laminação de Tiras a Quente, onde a placa após reaquecimento em forno de placa é encaminhada ao trem de laminação a quente onde sofre a devida conformação, tendo como produto final a bobina de tira a quente, que pode ser utilizado como produto comercial, após passar pela laminação de acabamento ou destinado para o cliente para alimentar o trem de laminação a frio. 17
  18. 18. • Sistema de lavagem e limpeza de gases utilizados nas demais unidades, cujos gases apresentam níveis de contaminação que necessitam ser minimizados antes de serem utilizados no próprio processo (COG e BFG). 18
  19. 19. 01.7 – FLUXOGRAMA DA CST. Sinter feed Carvão mineral Sinterização Coqueria Matérias Voláteis Coque Minério granulado Sinter Pelotas Calcário Escória Ar Alto-Forno Poeiras Gases Gusa líquido Calcinação Fundição Dessulfuração Peças Oxigênio Ferro-ligas Cal Escória Sucatas Convertedor Poeiras Refino secundário Aço líquido Gases Lingotamento contínuo Laminação de tiras à quente Placas Tiras Expedição 19
  20. 20. 02 - VISÃO GERAL DAS MATÉRIAS PRIMAS.2.1. INTRODUÇÃOA área de matérias primas minerais de uma usina siderúrgica corresponde à etapainicial de um ciclo produtivo, cujo produto final é o aço. Neste contexto deve funcionargarantindo o suprimento destas matérias primas em qualidade, operacionalidade ecusto.Podemos dizer que a qualidade e custo do produto final, em princípio, secomprometem nesta etapa inicial do processo siderúrgico.2.2. MATÉRIAS PRIMAS PARA SINTERIZAÇÃO E ALTO FORNO2.2.1. Classificação das Matérias PrimasAs matérias primas minerais utilizadas no processo de redução para obtenção do ferrogusa, podem ser classificadas a princípio em minérios de ferro, fundentes , adições emateriais de geração interna.Minério de ferro - São aquelas portadoras do principal elemento que é o ferro,normalmente este aparece combinado com o oxigênio na forma de óxido (compostoquímico). Esta combinação pode ocorrer de várias formas originando minérios decomposição química e características diferentes como veremos mais adiante. Dentreeles pode-se citar: Hematita ( Fe2O3 ) e Magnetita ( Fe2O3 )Fundentes – São matérias primas utilizadas para reduzirem o ponto de fusão da gangaescorificando as impurezas introduzidas pelos minérios e dando condição paraposterior retirada do produto desejado, no nosso caso o ferro gusa.Adições - São matérias primas portadora de elementos que, em menores proporções,contribuem para se obter um determinado propósito, seja no produto, seja no processo.Como exemplo temos o minério de manganês, a ilmenita etc.Materiais de geração interna - São os materiais originados dentro da própria usinacujo aproveitamento torna-se econômico sem prejudicar o processo de sinterização,(cabe lembrar que sinterizar é promover uma semi-fusão de uma mistura de minérios).Na maioria dos casos trata-se de resíduos siderúrgicos gerados na própria usina e quepodem gerar algum tipo de impacto ambiental. Portanto é fundamental seureaproveitamento o que minimiza esses impactos ambientais. Dentre eles pode-secitar: pó de minério, pó de coque, pó de carvão, escória de alto forno.2.2.1.1 Minérios de FerroOs minérios que apresentam interesse econômico para a siderurgia são basicamenteos óxidos, sendo os mais utilizados a hematita e a magnetita.Hematita - é o tipo mais comum de minério de ferro, constituído essencialmente peloóxido com fórmula Fe2O3 (trióxido). Apresenta um teor nominal de 69,5% de ferrocontido, mas o teor varia de 45 a 68% devido a presença de ganga (impurezas). 20
  21. 21. Magnetita - Constituída essencialmente do óxido de ferro cuja fórmula é Fe3O4(peróxido). Apresentando um teor nominal de 72,4% de ferro, sendo que o seu teor realvaria de 50 a 70%. É um material de cor cinza escuro e apresenta propriedadesmagnéticas, o que facilita a sua concentração nas operações de beneficiamento deminérios.Limonita - Consiste essencialmente em Hematita hidratada (presença de água) comfórmula Fe2O3 , na qual a proporção de moléculas de água de hidratação pode variarde 1 a 3. Em conseqüência varia também o teor nominal de ferro sendo que o teor realnormalmente não ultrapassa 65%. Apresenta-se como um material de cor marrom.Siderita - É um tipo pouco freqüente de minérios, ocorrendo normalmente comocomponente de mistura da hematita e em pequenas proporções. Apresenta-se nafórmula FeCO3 (Carbonato), sendo que seu teor real varia de 10 a 40%.Pirita - Também de pouca importância, normalmente aparece como componente demistura de minérios de outros metais (minérios de cobre, por exemplo). Sua fórmulabásica é FeS2.2.2.2 - Características dos Minérios de Ferro para Sinterização:O minério para Sinterização é comumente chamado de "Sinter Feed" que é umamistura padrão destes minérios.Estes minérios são especificamente preparados para serem sinterizados devendopossuir portanto características físicas e químicas capazes de propiciar a obtenção deum aglomerado dentro das necessidades do Alto Forno.Um bom Standard Sinter Feed depende além destas características de outros fatores,tais como comerciais, políticos e estratégicos, disponibilidade, viabilidade defornecimento e de transporte.2.2.2.1 - Características FísicasO minério para Sinterização deve apresentar primeiramente boa granulometria e poderde aglomeração a frio e secundariamente porosidade, forma de grão, crepitação,densidade etc.Atualmente, considera-se que a melhor distribuição granulométrica esteja na faixa:- 0% de fração > 10,0 mm- 45% a 60% da fração de 1 a 10,0 mm- e menor de 15% da fração < 200 meshO poder de aglomeração a frio, sendo a capacidade dos minérios sofrerem umamicropelotização sob o efeito da umidade e misturamento. Isto pode ser observado nomanuseio do minério (empilhamento e /ou ensilamento). Esta característicaprovavelmente traduz o conjunto das outras agindo positivamente para facilitar amicropelotização. 21
  22. 22. A produção de uma máquina de sinter está intimamente relacionada com o poder deaglomeração a frio dos minérios uma vez que a o processo de sinterização consiste emmistura e homogeneizar finos de minério de ferro, finos de carvão ou coque, finos defundentes (cal, etc.) e umidade e atear fogo ao carvão, de modo que a temperaturaatinja 1200 a 1400 oC, condição esta suficiente para que a umidade evapore e aspartículas se soldem por caldeamento, obtendo-se um material resistente e poroso,denominado sínter. Industrialmente, existem dois processos que servem de base paraas plantas de sinterização.O processo GreenWalt, processo intermitente, adequando às usinas de pequeno emédio porte, contudo, há instalações com capacidade para quase 1500 toneladas desinter por dia e o processo Dwight-Lloyd, processo contínuo, recomendado às grandesusinas, contudo tem sido o processo mais aceito em quase todos os níveis deprodução.2.2.2.2 - Características QuímicasA composição química que um minério deve apresentar para a Sinterização dependede um contexto amplo, no qual envolve:- Balanço de carga para o Alto Forno (devido ao nível de participação do Sinter nacarga metálica do Alto Forno).- O tipo e o volume de escória de Alto Forno.- A qualidade do Sinter.Normalmente no caso dos minérios brasileiros de elevado teor de ferro, enxofre, titânioe álcalis ( compostos contendo potásssio, sódio, etc ) o controle químico resume-senos teores de sílica (SiO2), alumina (Al2O3) e fósforo (P).A Sinterização exige portanto um minério que possua estas características dentro dedeterminados valores para que se produza o Sinter. No entanto, além de satisfazer oaspecto da qualidade o minério deve apresentar disponibilidade, custo etc. Sendoassim, surge uma mistura destes em que normalmente se encontra o minério base e ode adição. Entende-se por minério base o minério que devido as suas característicasfísicas e químicas é usado em maior proporção. Por minério de Adição entende-secomo aquele que por possuir características físicas e/ou químicas especiais é usadoem menor proporção, servindo como corretivo do minério base.2.2.3 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno:A carga metálica do Alto Forno a Coque é normalmente composta de:- Sinter;- Pelota;- Minério granulado.O minério de ferro normalmente participa numa proporção que pode variar de 5% até20% dependendo muito da usina e da situação. Basicamente um minério para AltoForno deve apresentar:- Alto teor de ferro- Baixos teores de fósforo, álcalis e enxofre. 22
  23. 23. No caso do fósforo, cerca de 100% vai para o gusa, além disso, estima-se que paracada 0,1% de fósforo no gusa necessita-se de 1,0 Kg de Carbono/t gusa. Os álcalis(Na2O e K2O) provocam formação de cascão no Alto Forno. O enxofre e o fósforoelevados desclassificam o aço na aciaria devido ao fato de provocarem fragilidade nomesmo.2.2.3.1 - Características Físicas dos Minérios de Ferro para Alto FornoOs parâmetros que devem ser controlados no minério são basicamente os seguintes:- Granulometria (finos < 5,0mm)- Crepitação/RDI/Redutibilidade- Resistência mecânica- Finos de aderênciaCom exceção da resistência mecânica e da redutibilidade, os níveis de controle devemser os mais baixos possíveis.2.2.4 - FundentesAs substâncias utilizadas pela metalurgia para abaixar o ponto de fusão da ganga(parte do minério sem valor econômico) e permitir a remoção das mesmas chama-sefundente, os quais, podem ser divididos em: Básicos (portadores de CaO e/ou MgO)Fundentes Ácidos (portadores de SiO2 e/ou Al2O3)Os principais fundentes são:- Calcário (portador de CaO);- Cal ( portador de CaO);- Dunito (portador de MgO e SiO2);- Serpentinito (portador de MgO e SiO2);- Dolomita (portador de MgO e SiO2);- Quartzo (portador de SiO2).A composição química destes é a mesma tanto para Sinterização quanto para o AltoForno. Sendo que a granulometria situa-se na faixa especificada abaixo:- 0 a 3,0 mm aproximadamente para Sinterização- 10 a 30 mm aproximadamente para o Alto Forno.2.2.5 - Matérias Primas de Geração InternaExistem algumas matérias primas originadas dentro da usina decorrentes de outrasetapas do processo siderúrgico que por suas características devem ser utilizadas naSinterização. Além deste aspecto, existe também o aspecto ambiental, onde se tornou 23
  24. 24. fundamental a reciclagem de resíduos. As principais matérias-primas originadas nointerior das usinas são:- Carepa;- Pó de Alto Forno;- Lixo Industrial;- Geração da Calcinação;- Pó de CDQ, é um pó original da coqueria, com elevado teor de carbono;- etc.Carepa - É oriunda da Laminação (escarfagem) e possui um teor de FeO (-60%). ACarepa quando adicionada na pilha pode favorecer a redução de Coque naSinterização.Pó de Alto Forno - Origina-se no coletor de pó do Alto Forno. A sua composiçãoquímica justifica sua utilização devido ao alto teor de carbono (C). Também podediminuir consumo de combustível na Sinterização.Lixo Industrial - É basicamente composto de minérios e fundentes, originados dalimpeza da área industrial. Deve ser peneirado para utilização na pilha homogeneizada.Resíduos da Calcinação - Estes materiais são decorrentes do processo depreparação da cal para a aciaria. Além da cal peneirada para a sinterização, temos apré-cal, a cal britada e a lama de calcário. Todos estes produtos apresentam qualidadee quantidade que justificam sua utilização posterior.Pó de CDQ - É um pó originado do apagamento à seco do coque na coqueria. Éimportante aproveitá-lo devido seu alto conteúdo de carbono (C).2.2.6 - AdiçõesAs principais matérias primas utilizadas como elementos de adição ao processo deredução são:Minério de Manganês - Fornece Mn ao gusa e age como elemento dessulfurante.Ilmenita - Fornece titânio que age na proteção ao cadinho do Alto Forno. Da mesmaforma agem a magnetita titanífera, briquetes e concentrados de TiO2.2.2.7 – Pelotas de Minério de FerroAs pelotas consumidas nos altos fornos da CST são provenientes das usinas depelotização da CVRD que adota o seguinte processo de produção:O processo industrial inicia-se com a descarga da composição de vagões contendo asmatérias-primas nos viradores de vagões, apresentando a distribuição adequada dasmatérias-primas: ultra-finos de minério de ferro proveniente de Itabira-MG e calcário.Através de correias transportadoras, estas matérias-primas serão transportadas até opátio de finos para estocagem, formando uma mistura com composição química egranulométrica pré-determinadas para a produção de pelota com as características 24
  25. 25. necessárias exigidas pelo mercado consumidor.O empilhamento da matéria-prima é feito por uma empilhadeira móvel que deposita osdiferentes tipos de minério em camadas sucessivas nas proporções definidas peloproduto final desejado. O calcário é introduzido durante a formação da pilha naproporção de 13kg/t de minério.O carvão e o calcário utilizados no processo de pelotização existente no complexo deTubarão, são recebidos e estocados em pátios específicos.Antes de a polpa moída ser encaminhada ao espessador, ela passa por um grupo dehidrociclones que separaram os finos fora de especificação, fazendo-os retornarjuntamente com uma parcela da água que forma uma mistura, para a alimentação dosmoinhos. A polpa resultante, com menor umidade, é então encaminhada para oespessador.A polpa resultante da moagem e classificação nos hidrociclones é encaminhada para oespessador com 50m de diâmetro, o qual promoverá o aumento da densidade dapolpa, retirando a água que será encaminhada para o tanque de processo, retornandoao moinho.A operação de filtragem tem por finalidade reduzir a umidade da polpa proveniente dostanques de homogeneização.A pelota a ser produzida nos discos de pelotamento deve apresentar, ainda crua, aresistência necessária para o manejo antecedente à fase de queima. Dessa forma,após a filtragem, a polpa retida recebe uma certa quantia de aditivo que será a calhidratada (ou a bentonita), exercendo a função de aglomerante, a fim de facilitar aprodução da pelota e proporcionar a resistência a frio por ela demandada.A uniformização da mistura é realizada em misturadores cilíndricos rotativos, querecebem a ‘’polpa retida’’ dos filtros contendo a dosagem exata do aditivo (cal hidratadaou bentonita).A seguir, a “polpa retida” será transportada por correias transportadoras até os silosdos discos de pelotamento.A operação de pelotamento é realizada em discos de pelotamento com 7,5m dediâmetro e a capacidade de processamento de 120t/h de “polpa retida”. Os discosserão inclinados de 48° em relação ao plano horizontal e giram a 5,6 rpm.Ao atingirem certa faixa de diâmetro, a ação de rotação do disco promoverá odesprendimento de pelota que cairá sobre o primeiro conjunto de peneiras de rolo. Naspeneiras de rolos, ocorre a primeira seleção da pelotas a serem encaminhadas aoforno.A queima da pelota crua no forno da usina promove o tratamento término necessáriopara que as pelotas adquiram alta resistência mecânica e as característicasmetalúrgicas necessárias para sua utilização em alto-forno de usinas siderúrgicas.A saída do forno, as pelotas são conduzidas para uma peneira vibratória, que separa a 25
  26. 26. parcela de pelotas com diâmetros inferior a 5mm. Também é separada nessa peneirauma parcela do produto que será recirculada para formação da camada de forramentoda grelha do forno. O produto final, após o peneiramento será encaminhado para opátio de pelotas.O empilhamento das pelotas é realizado por uma máquina empilhadeira móvel, e arecuperação das pelotas para embarque em navios é realizada por meio de máquinarecuperadora de caçambas.2.3 - Carvão Mineral e Vegetal2.3.1 - Origens e GeologiaO carvão mineral é uma massa compacta, estratificada, oriunda da decomposição dematérias vegetais, as quais passaram por vários estágios de conseqüentes açõesgeológicas, que provocaram modificações em suas propriedades físicas e químicas.As modificações nas propriedades da matéria vegetal envolvem alterações complexasnos constituintes da sua estrutura, com evolução da umidade, gás carbônico e metano.Desde a antigüidade, se reconhece a origem vegetal do carvão-de-pedra. Nos linhitospode-se observar ainda restos da estrutura das plantas que o formaram.Os depósitos carboníferos se localizam nos limites de regiões montanhosas, ondealterações geológicas, no período quaternário, causaram o soterramento de florestas, epara o desenvolvimento da luxuriante vegetação da época, era necessário climaameno, com bastante umidade e solo fértil.Estas duas condições são encontradas nas vizinhanças de cordilheiras, pois ascadeias de montanhas representam coletores de chuvas que, devido à diferença dealtura entre os montes e a planície, provocam uma erosão intensiva, resultando emfonte de suprimento de minerais pela conseqüente sedimentação nas baixadas.Para a formação de camadas carboníferas, outra condição essencial teria sido oabaixamento do subsolo lento, porém, interrompido. Como resultado de um movimentotectônico deste tipo, a região coberta de florestas ficou submersa, transformando-se emlago. Com o passar do tempo, argila e areia eram arrastadas pela erosão natural e odepósito de turfa, recoberto por uma camada de terra. A compactação progressiva daturfa se fazia pelo acúmulo cada vez maior de matéria depositada na superfície.No decorrer dos séculos, o abaixamento do subsolo pode ter sido sustado e atéanulado pela formação de montanhas. Durante estes movimentos, grandes pressõeseram exercidas nas diversas camadas do solo e, naturalmente, também, sobre osdepósitos vegetais.A ação combinada da pressão e do calor aplicado durante longos períodos, causarammodificações profundas na estrutura da turfa, com eliminação da água, do gáscarbônico e do metano, aumentando progressivamente o teor de carbono no materialresidual. Tais modificações podem ter durado vários séculos e resultaram natransformação progressiva da turfa em linhito e depois, nos diversos tipos de carvãobetuminoso, até chegar a antracito. 26
  27. 27. Estimativas de geólogos indicam que as temperaturas às quais foi submetida à matériavegetal fóssil variam entre 100oC a 600oC e as pressões nas camadas profundas,teriam sido da ordem de 1.500 atmosferas.Desde as turfas e linhitos até o antracito, existe, como vimos gama variada decomposições e características, sendo aceito sem discussões que as turfas de hoje, pormeio de uma série de transformações, gradualmente se transformariam em carvões nofuturo.A turfa é, portanto, considerada o estágio inicial da transformação da matéria vegetalem carvões, resultante da decomposição de vegetais de pequeno desenvolvimento(musgos e arbustos) num ambiente de água doce.2.3.2 - Variedades de CarvõesMADEIRAA lenha é o combustível mais comum. Durante séculos, a lenha e o seu derivado ocarvão vegetal - foram praticamente os únicos combustíveis conhecidos, tanto para oconsumo doméstico, como para a reduzida indústria, inclusive na Metalurgia.Nos meados do século XVIII (1735), foi descoberto o coque metalúrgico: - derivado dashulhas - que passou então a substituir o carvão vegetal nas regiões de hulhasabundantes.Com a introdução da máquina a vapor (1775), e principalmente, com a extraordináriaexpansão das aplicações da máquina a vapor, a partir da chamada RevoluçãoIndustrial que se iniciou nos primórdios do século passado, e as suas conseqüênciasna ativação da metalurgia, dos transportes marinhos e ferroviários, a hulha suplantou alenha como o grande combustível industrial.A lenha só conservou sua importância nas regiões pobres de hulha, caso que incluitoda a América Latina, em particular o Brasil, onde seu consumo industrial chega acifras superiores a 100 milhões de metros cúbicos por ano. Um metro cúbico (estere)de madeira pesa em média 500 Kg. O seu poder calorífico médio é de 4.000 Kcal/Kg.O poder calorífico das hulhas é em média de 6.500Kcal/Kg. Logo, o metro cúbico(estere) de lenha, pode então liberar 4.000 x 500 = 2.000.000 Kcal, enquanto 1 ton. dehulha pode liberar 6.500.000 Kcal. Então, 1 m³ de lenha equivale a 0,3 ton. de hulha eos 100 milhões de m³ de lenha equivaleriam a 33 milhões de toneladas de hulha.TURFASAs turfas resultam da decomposição dos vegetais nas lagoas, pântanos, encontrando-se tanto nas formações contemporâneas, como nas recentes da era quaternária. Asmais recentes apresentam-se como uma terra negra ou castanha, ou como massa deestrutura fibrosa, emaranhada de raízes, hastes e detritos dos vegetais dondeprovieram.As mais antigas são mais compactas, de estrutura aleitada, cor castanha. Recém- 27
  28. 28. extraídas, são consideravelmente mais úmidas, com 80 a 90% de água; secas ao ar,contém ainda de 15 a 30% de água de embebição. Nesta condição, têm peso variávelde 200 a 250 Kg por m³ e poder calorífico entre 3.300 a 5.000 Kcal/Kg.É um combustível fraco, que só interessa às regiões onde se encontra, para aplicaçõesrestritas (fornalhas, cerâmicas, estufas), embora possa ser prensada em blocos oubriquetes e gaseificada em gasogênios.Algumas podem fornecer semi-coque, com aproveitamento das matérias voláteis, porprocesso de destilação a baixas temperaturas. No Brasil, se tem encontrado algumasturfeiras, nas costas baixas dos Estados do Espírito Santo (Jucu) e Rio de Janeiro(Marambaia).LINHITOSOs linhitos são carvões fósseis mais antigos que as turfas e mais recentes que ashulhas, encontrando-se especialmente nas formações geológicas de era terciária.São constituídos pelos produtos de decomposição de vegetais de certo porte,acumulados e soterrados por fenômenos geológicos. Apresentam-se em camadasencaixadas em formações sedimentárias, com espessuras que variam de centímetros adezenas de metros (até 80 metros), podendo então constituírem reservas deconsiderável importância como acontece nos Estados Unidos e Alemanha.HULHASAs hulhas são o resultado da decomposição de verdadeiras florestas que existiram emépocas em que as condições climáticas da terra foram extremamente favoráveis aoesplendor da vida vegetal e que foram posteriormente soterradas durante os ciclosgeológicos. Muitas delas se admite resultarem de enormes turfeiras desta época deintensa vida vegetal (períodos Carbonífero e Permiano).Os processos de decomposição se admitem como devidos à ação de micro-organismos e fungos, em fases de destruição acróbia e posteriormente em faseanacróbia (fermentação), seguidas ainda pela ação da pressão exercida pelosdepósitos minerais que sobre ele depositaram conjugadas ao calor quer do graugeotérmico, quer o gerado nos diastrofismos da crosta terrestre.Todas estas ações resultaram em transformações mais ou menos profundas daprimeira matéria vegetal: de um lado, estas transformações se traduziram pelaprogressiva diminuição da umidade (embebição) e dos teores de oxigênio e hidrogênio(evolução de compostos voláteis) e o decorrente aumento do teor de carbono, de outrolado, por acentuadas transformações químicas dos constituintes da matériadecomposta, com o aparecimento de substâncias não encontradas normalmente nostecidos vegetais vivos, tais como hidrocarbonetos das séries cíclicas, como oantraceno, o benzeno e outros que são importantes substâncias de utilização industrial;por isto mesmo, além do carbono que é o principal constituinte das hulhas, comocombustível, podem elas fornecer estas importantes substâncias, tornando-as assim,importantes fontes de matérias primas de natureza química, que são aproveitadascomo subprodutos na destilação das hulhas e empregadas para a fabricação de 28
  29. 29. corantes, anilinas, medicamentos, explosivos, borracha sintética, solventes etc.Por isto mesmo, as hulhas assumem considerável importância industrial, justificando-seo notório fato de estarem justamente nas regiões onde ocorrem em abundância osmais importantes centros industriais do mundo moderno (Pensylvânia, Ruhr, Inglaterra,Rússia, França). Assim, se justifica também porque as hulhas se classificam em funçãodo seu teor de carbono e destes componentes nobres que se desprendem durante adestilação, como "matérias voláteis", visto que se desprendem como gases, astemperaturas da destilação (800 a 1.000oC) condensando-se depois alguns comolíquido permanecendo outros como gases.As alterações na composição dos combustíveis naturais sólidos e fósseis são umafunção da sua "história geológica", isto é, não propriamente do tempo, mas da série defenômenos metamórficos pelos quais tenha passado o depósito geológico docombustível, o que se define na literatura em inglês, por "RANK", que significaORDENAÇÃO HIERÁRQUICA.Assim é que as hulhas perdem matérias voláteis e se enriquecem em carbono, tantomais elevada seja a sua ordem.ANTRACITOO último estágio destas transformações é representado pelo Antracito (do GregoANTRAX = CARVÃO), que contém o mínimo de umidade e matérias voláteis e omáximo de carbono. O Antracito tem aspecto cristalino, brilhante, é duro mas frágil,fragmentando-se sucessivamente em partículas aproximadamente cúbicas oulamelares.CARVÃO MINERAL NACIONALO carvão mineral do Brasil é encontrado nos Estados de Rio Grande do Sul, SantaCatarina, Paraná, São Paulo, Góias, Piaui, Maranhão, Pará e Amazonas. Porém,somente as jazidas dos estados sulinos, principalmente as de Santa Catarina e as doRio Grande do Sul, podem ser lavradas economicamente. Em São Paulo e Paraná asjazidas são ínfimas, usadas somente em pequenas termelétricas e em aplicaçõesindustriais de importância reduzida. 29
  30. 30. 03 - PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS03.1 - RECEBIMENTO DAS MATÉRIAS PRIMASAs principais matérias primas consumidas numa siderúrgica são minérios de ferro,carvões minerais, fundentes e materiais de geração própria.A CST trabalha hoje com pelo menos uma dezena de fornecedores internacionais decarvões minerais. Os mesmos, chegam do exterior ao Porto de Praia Mole, de ondesão conduzidos através de correias transportadoras até o pátio de carvões eempilhados na forma de fileiras prismáticas.Os minérios de ferro são recebidos pelo ramal ferroviário da CVRD dotado de umvirador de vagões, que descarrega o material sobre uma correia transportadora e, esta,os conduz e empilha no pátio primário, na forma de pilhas prismáticas.Os fundentes, como calcários calcíticos e dolomíticos, podem ser, também, podem serrecebidos pelo mesmo ramal ferroviário da CVRD, ou no hopper rodo-ferroviário; quetambém são conduzidos ao pátio primário e empilhados da mesma forma que osminérios.Em todos os pátios, cada pilha deve ser de apenas um material, que pode seranalizado e seus dados registrados no computador indicado para cada um dos casosexistentes. Fig.3.1 - Esboço do esquema de formação das pilhas03.2 - BRITAÇÃOBritação é o processo de fragmentar as matérias primas, transformando-as emgrânulos com a granulometria requeri da pelo processo a que se destina. Exemplo: Ocalcário deve ser britado até atingir granulometria abaixo de 100mm.03.3 - MOAGEMNa moagem o material é fragmentado até se transformar em pó. Exemplo: O carvãomineral, depois de britado, é moído até que suas partículas fiquem menores do que0,2mm, então, passa a poder ser usado na produção da mistura de carvões a enfornar,para produzir coque.03.4 - PENElRAMENTOSão operações feitas em classificadores geométricos, denominados peneiras ougrades vibratórias, com o fim de separar cada grupo das matérias primas conforme 30
  31. 31. seus respectivos tamanhos. Exemplo: Depois de resfriado e britado, o coque deve sersubmetido a dois classificadores com aberturas de 75 e 20mm; de modo que o coquecom granulometria de 20 a 75mm deve ser usado no alto fomo e o menor que 20mmna sinterização.03.5 - CALCINAÇÃOCalcinação é a unidade que transforma calcário em cal pelo seu aquecimento acima de1200°C, conforme ilustra a reação a seguir:CaCO3 .→ CaO + CO2(calcário) (cal) (gases)A cal tem grande importância na aciaria, visto que, no refino do aço, pode atuar comofundente, dessulfurante, desfosforante e refrigerante.A prática industrial de calcinação pode ser feita em fornos de cuba aquecidos a gasesou pela combustão de carvão vegetal granulado adequadamente misturado ao calcário.Em escala de produção elevada, como na CST, podem ser empregados fornoscilíndricos horizontais giratórios.A calcinação da CST opera com calcários calcítico e dolomítico, em dois fomoshorizontais com capacidade nominal de 350ton/dia e dimensões com 3,2m de diâmetropor 55m de comprimento.Adição deCalcário Saída dos gases 1250o C Queimadores Cal Fig.3.2 - Esquema em corte vertical do forno de calcinaçãoO material a ser calcinado é alimentado na extremidade mais alta do fomo e conduzi daà sua parte inferior pela sua rotação reforçada pela força da gravidade, o que permiteuma descida lenta do material, em contra corrente ao fluxo dos gases quentesprovenientes da zona de combustão, promovendo, assim, a dissociação doscarbonatos, sendo possível produzir cal calcítica e/ou cal dolomítica. A coleta da calproduzida ocorre na extremidade inferior do forno. 31
  32. 32. A cal obtida no forno horizontal tem granulometria inferior a 40mm e deve sersubmetida a um peneiramento de 9mm, de modo que o oversize segue para a aciaria eos finos para a sinterização.Todo o processo de calcinação é assistido por equipamentos de proteção ambiental,como filtros, ciclones, chaminé e espessador, que sofrem um rigoroso controle demanutenção.03.6 – COQUERIA:Coqueria é a unidade industrial que transforma mistura de carvões minerais em coque.O coque metalúrgico é empregado nos altos fornos, onde pode atuar comocombustível, redutor, fornecedor de carbono ao gusa e permeabilizador da carga.No custo de produção do ferro gusa, a fatia do coque supera 40%, daí a importânciaque lhe é conferi da na siderurgia.O ciclo operacional da coqueria pode ser resumido nas seguintes fases:Preparação da mistura de carvões → Enfornamento Aquecimento → DesenfornamentoApagamento → Preparação do coque → Tratamento das matérias voláteis.03.6.1- FLUXOGRAMA DA COQUERIA DA CST. Mistura de carvões Bateria de coque Gás bruto ( matérias voláteis) (25%) Britador Usina de subprodutos Coque grosso ( > 75mm) (75%) Gás de coqueria (17%) Classificador Piridina (0,01%) Coque fino ( < 0,25mm) Óleos leves (1,22%) Coque Bitolado ( 20 - 75mm) Sinterização Sulfato de amônia (1,2%) Alto Forno Alcatrão (5,3%) 32
  33. 33. 03.6.2 - PREPARAÇÃO DA MISTURA DE CARVÕESOs melhores carvões minerais usados na produção de coque metalúrgico são ashulhas, que são constituídas de carbono fixo, matérias voláteis e cinzas.Para a produção de um bom coque metalúrgico, deve ser preparado uma mistura decarvões com cerca de 25% de matérias voláteis e abaixo de 8% de cinzas.03.6.3 – ENFORNAMENTO.Uma bateria de fornos de coque com recuperação de subprodutos é constituída defornos verticais geralmente de 11 a 15 metros de comprimento, 3 a 7 metros de altura e300 a 550 mm de largura. Suas paredes são construídas de tijolo refratário de sílica, deprojeto especial para evitar a passagem de gases.Estes fornos são aquecidos por um gás, o qual é injetado em uma rede de dutos eestes por sua vez, são conectados aos regeneradores, que alimentam dois fornos decoqueificação adjacentes. Estes regeneradores são construídos de tijolos refratários desílica-aluminoso. Sua função é absorver calor dos gases queimados e, posteriormente,ao inverter o fluxo dos gases, eles servem para aquecer o ar que irá ser usado paracombustão.O número de fornos numa bateria é bastante variado e pode chegar a ter 200 fornos, ecada forno tem portas removíveis para possibilitar a retirada do coque incandescentecom o uso da máquina desenfornadora.Um fator importante na operação de uma bateria é o tempo de coqueificação, que,geralmente, varia entre 16 a 18 horas.A CST possui três baterias com 49 fornos cada uma delas, totalizando 147. Umacâmara de coqueificação mede 40 a 45cm de largura por 4 a 7m de altura 7 a 15m decomprimento. No topo do forno, existem 3 a 5 furos por onde é feito o carregamento damistura de carvões e uma abertura destinada ao recolhimento das matérias voláteis. 33
  34. 34. 1- Correia transportadora 4- Fornos (retortas) 7- Duto de matérias voláteis2- Silo principal 5- Rampa de descarga3- Carro alimentador 6- Vagão de apagamento Fig.3.3 – Esboço de uma bateria de fornos(retortas) de uma coqueriaFig.3.4 – Visão geral de uma coqueria. No primeiro plano, as instalações de britagem e peneiramento do coque. 34
  35. 35. Fig.3.5 – Esquema de um forno (retorta) e seus principais acessórios.Fig.3.6 – Esquema de um forno “Gun-Flue” com conversão de meia parede. 35
  36. 36. Fig.3.7 – Esquema de um forno com duplo par de canais. Fig.3.8 – Esquema do processo de coqueificação.03.6.4 - AQUECIMENTO/COQUEIFICAÇÃOO aquecimento do carvão enfornado é indireto, pois, o calor é gerado nos dutos deaquecimento distribuídos no interior das paredes que separam uma retorta da outra.Durante a coqueificação a mistura de carvões é aquecida a 1100°C, numa câmara semcirculação de ar, dotada de uma abertura superior, por onde saem as matérias voláteis,que são recolhidas, pois, são de grande valor.Desta forma, a coqueificação consiste em submeter uma mistura de carvões decaracterísticas adequadas a uma destilação (aquecimento em ausência de ar). Esta 36
  37. 37. destilação provoca a liberação de gases e o aparecimento de um resíduo sólido,poroso, infusível, basicamente constituído de carbono, que é o coque.Quando o carvão carregado dentro da câmara (forno), o mesmo, entra em contato comas duas paredes aquecidas e o calor é transmitido, por condução, para o centro dacarga. De cada parede surgem duas superfícies planas isotérmicas, que caminhampara o centro da carga.Até as isotermas de 300o C, a mistura de carvões permanece sólida, liberando somentevapor d’agua e poucos gases (CO etc).Entre 300 e 500o C, a mistura amolece e torna-se fluida devido à grande liberação dematéria volátil. O material situado entre estas isotermas forma uma camada "envelopeplástico", ocorrendo aí o primeiro estágio da coqueificação.Entre 500 e 900o C, a mistura perde fluidez e as partículas se unem formando o semi-coque. A seguir, o processamento das reações finais de condensação edesidrogenação, características do segundo estágio da coqueificação, transformam osemi-coque em um material com apenas 1% de matéria volátil chamado coque .A velocidade de a avanço das isotermas no seu caminho desde a parede dos fornosaté o centro da carga constitui o "coking-rate" e a coqueificação está terminada com oencontro das duas frentes plásticas.Na coqueria da CST, o tempo de enfornamento é de 16h e 30min. A B C A – pouco depois do carregamento, B – cerca de metade do ciclo de coqueificação, C – coalescência final (máxima pressão de coqueificação).Fig.3.9 – Esquema mostrando o deslocamento da camada plástica durante a formação do coque. 37
  38. 38. 03.6.5 - DESENFORNAMENTOQuando não sai mais matéria volátil, então, o coque está pronto e deve serdesenfornado. As 2 portas são abertas e por uma delas é introduzido o êmbuloempurrador, que empurra o coque para fora, pela outra porta, de modo que o coqueincandescente cai dentro de um vagão de transporte. Fig.3.10 – Esboço de um decarregamento do coque incandescente03.6.6 - APAGAMENTOO coque deve ser apagado imediatamente, para impedir sua queima, o que pode serfeito a úmido ou a seco.03.6.6.1 - Apagamento a úmidoNo apagamento a úmido, o vagão carregado é posicionado sob a torre de apagamento,onde o coque é apagado com fortes jatos de água, gerando um consumo de 400 litrosd’água por tonelada de coque resfriado. 38
  39. 39. Fig.3.11 – esquema de uma torre de apagamento à úmido03.6.6.2 - Apagamento a seco.A CST é a única usina siderúrgica das Américas que emprega apagamento a seco.O processo de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ) se iniciacom o desenfornamento do coque incandescente dentro de uma caçamba especial,revestida com placas de ferro fundido e com fundo falso, disposta sobre umaplataforma tracionada por uma locomotiva elétrica.Após o carregamento, a caçamba é conduzida pela locomotiva elétrica até a ponte deiçamento e, por meio de um dispositivo de transferência (cremalheira), é posicionadasob a ponte, na parte inferior da torre de içamento.Através da ponte de carregamento a caçamba é içada até o topo da torre. A seguir aponte faz a translação com a caçamba ainda cheia parando sobre a tremonha. Ao sebaixar a caçamba sobre a tremonha seu fundo falso se abre dando passagem docoque para o interior da câmara. A mesma operação se efetua inversamente parafechar a câmara.O coque incandescente carregado na pré-câmara a uma temperatura em torno de1050o C, desce para a câmara de resfriamento onde entra em contato com a correntegasosa ascendente, sendo resfriado.A pré-câmara desempenha duas importantes funções:a - Absorve as variações na alimentação do coque, proporcionando uma geraçãoestável de vapor. 39
  40. 40. b - Homogeiniza as características do coque, retirando o restante de matéria volátil,passando assim por um processo de super coqueificação com permanência deaproximadamente 1 hora.A descarga do coque, com a temperatura em torno de 180o C faz-se na parte inferiorda câmara, através do sistema de descarga alternado, e com o compartimentopressurizado com N2, que permite descarregar o coque sem deixar escapar o gáscirculante ou gás de resfriamento.O apagamento do coque propriamente dito se processa, soprando o gás deresfriamento na parte inferior da câmara, passa por em sistema de distribuição e sobeem direção a parte superior, absorvendo o calor do coque e atingindo a temperaturade aproximadamente 800o C. O gás é recolhido por 32 canais dispostos em torno daparte superior da câmara, passando por um coletor primário onde as partículas maioressão retidas. A seguir o gás é conduzido para a caldeira onde cede seu calor à mesma,produzindo vapor de 23 Kg/cm² e 350o C que movimenta algumas bombas do CDQ.O gás sai da caldeira já com sua temperatura reduzida a aproximadamente 180o C,passa por um conjunto de ciclones onde são retidas as partículas finas de pó e atravésdo soprador é reconduzido à câmara de resfriamento. O pó retido no coletor e nociclone é transportado pneumaticamente para um silo. Além do sistema dedespoeiramento do gás circulantes descrito acima, existem dois outros que coletam aspoeiras geradas no carregamento e na descarga do coque.Desta forma, O coque incandescente de um novo carregamento que é introduzido nacâmara de extinção recebe o gás ascendente de nitrogênio numa temperatura abaixode 160°C. 40
  41. 41. Fig.3.12 – Processo de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ)03.6.7 - PREPARAÇÃO DO COQUE:Depois de frio, o coque deve ser britado e peneirado a 75 e 20mm. O coque com 20 a75mm é mandado para o alto forno e o menor que 20mm para a sinterização.03.6.8 -TRATAMENTO DAS MATÉRIAS VOLÁTEIS:Cerca de 25% da mistura de carvões se transforma em matérias voláteis que, depoisde tratadas podem ser usadas na própria usina ou vendidas.A CST aplica um pequeno tratamento as matérias voláteis, de modo que 17% domaterial enfornado se transforma em gás de coqueria, COG, além do misto, que é umamistura composta de água amoniacal (98,7%), alcatrão (1,0%) e borra (0,3%).Todo o material volátil é conduzido através de tubulações a uma série deequipamentos, podendo passar pelos seguintes processos:Processo de separação do COG e decantação do alcatrão da água amoniacalProcesso de resfriamento do COGProcesso de precipitação eletrostática de partículas de alcatrão Processo de absorçãode amônia. 41
  42. 42. Processo de destilação da amônia e concentração da água amoniacalProcesso de combustão da amônia.Processo de absorção de naftaleno e Processo de exaustão de COGO gás de coqueria pode ser empregado nas unidades de aquecimento da própriausina, na produção de energia termoelétrica e vendido para indústrias do ramo doscarboderivados. 42
  43. 43. 03.7 - SINTERlZAÇÃOComo é notório, os principais componentes da carga sólida do alto fomo são o minériode ferro (granulado, e/ou sinter e/ou pelota), coque e fundente (calcário).O uso de sinter autofundente, com propriedades físico-químicas e metalúrgicasdefinidas, contribui para seu aumento de produtividade, diminuindo, consideravelmente,o consumo de coque e melhorando a qualidade do gusa. Certamente, por esse motivo,a CST tem preferência pelo uso de sinter na carga dos seus altos fornos.03.7.1 - PRINCÍPIO DA SINTERlZAÇÃOA sinterização consiste em misturar e homogeneizar finos de minérios de ferro (sinterfeed), finos de carvão ou coque, finos de fundentes (cal, etc. ) e umidade e fazer acombustão do carvão ou coque, de modo que a temperatura atinja 1200 a 1400°C,condição suficiente para que a umidade evapore e as partículas da carga se unem porcaldeamento, obtendo-se um material resistente e poroso denominado sinter. Fig.3.13 – Esquema do princípio da sinterização.03.7.2 - MOVIMENTO DA FRENTE DE COMBUSTÃOInicialmente, é feita a ignição do carvão contido na superficie da mistura com auxílio demaçaricos apropriados, se formando aí a zona de combustão que avança para baixo,puxada pela descida do ar succionado pelo sistema de exaustão, até atingir a falsagrelha, quando a combustão se extingue.Durante a descida da frente de combustão, toda a mistura é aquecida acima de1200°C, ocorrendo a soldagem das partículas por caldeamento, resultando uma grandebolo de sinter. 43
  44. 44. Fig.3.14 – Esquema mostrando o movimento da frente de combustão.03.7.3 – REAÇÕES DURANTE A SINTERIZAÇÃOa) Secagem: até 300o C - Vaporização da áqua livre. H2O(l) → H2O(v)b) Desidratação: 400 a 500o C Vaporização da água combinada Ca(OH)2 → CaO + H2O(v)c) Redução superficial do minério de ferro 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2d) Decomposição de carbonatos: 750 a 1150o C CaCO3 → CaO + CO2e) Formação de silicatos: 600 a 1300o C Al2O3 + SiO2 → Al2O3.SiO2 2CaO + SiO2 → 2CaO.SiO2 Fe2O3 + SiO2 + CO → 2FeO.SiO2 + CO2 2 CaO.SiO2 + 2 FeO.SiO2 → 2(CaO.FeO.SiO2)f) Formação de Cálcio-ferritas: 600 a 1300o C CaO + Fe2O3 → CaO.Fe2O3 CaO + 2Fe2O3 → CaO.2Fe2O3 44
  45. 45. g) Combustão do Coque: 1300o C C + O2 → CO2 C + 1/2O2 → COh) Formação da magnetita: 3FeO 1/2O2 → Fe3O403.7.4 - FLUXOGRAMA DE UMA SINTERIZAÇÃO Sinter Feed Coque Fundentes Água Outros Misturador SINTERIZAÇÃO Falsa grelha (Beding) Birtador primário Resfriador Peneira (50mm) > 50mm Britador secundário < 50mm 10 a 20mm 20mm Peneiras 10mm 5mm 5 a 50mm 5mm Sinter ALTO FORNO 45
  46. 46. O sinter-feed utilizado geralmente é um concentrado de hematita com granulometriaabaixo de 10mm, fornecido pela CVRD. Convém informar que os principais minerais deferro são hematita (Fe2O3), limonita (Fe2O3nH2O), magnetita (Fe3O4) e siderita (FeCO3).03.7.5 - MÁQUINAS DE SINTERIZAÇÃOAs máquinas de sinterização podem ser intermitentes, adequadas a pequenas usinassiderúrgicas ou contínuas, para grandes usinas. Logo a seguir desenharemos umesquema de uma máquina de sinterizar em corte vertical.Fig.3.15 – Esquema mostrando Uma máquina de sinterização intermitente e o avanço e a temperatura da frente de combustão.A chaparia pode ser confeccionada com chapas de aço doce soldadas.A proteção térmica da chaparia pode ser feita com revestimento intemo de refratáriosílico-aluminoso ou aluminoso.As barra de grelha podem ser de ferro fundido refratário ou aço refratário, com 25 a30% de cromo ela 2% de niquel.A falsa grelha é uma camada protetora de sinter com 25 a 35mm de espessura, comgranulometria de 10 a 25mm. As funções principais da falsa grelha é impedir a sucçãode finos pelo sistema de exaustão e impedir que a frente de combustão atinja as barrasde grelha. 46
  47. 47. Fig.3.16 – Corte longitudinal do leito de uma máquina de sinterização contínua Fig.3.17 – Corte Transversal do leito de uma máquina de sinterização contínuaFig.3.18 – Esquema mostrando o sistema de exaustão de uma sinterização contínua tipo Dwight-Lloyd.03.7.6 - PREPARAÇÃO DO SINTERDepois de resfriado, o sinter deve ser fragmentado e peneirado, de modo que o sintercom granulometria de 5 a 50mm vai para o alto fomo, uma pequena quantidade comgranulometria de 10 a 20mm irá formar falsa grelha nos processos seguintes e o sintermenor que 5mm retoma para a preparação da mistura de sinterização. 47
  48. 48. 04 - PROCESSOS DE REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERROS04.1 - PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETAO processo de obtenção do ferro consiste basicamente na redução dos seus óxidos pormeio de um combustível carbonoso redutor, em geral coque, carvão vegetal ou mineral.Para que as reações de redução dos óxidos de ferro ocorram em velocidades rápidas,é necessário temperaturas acima de 1000oC, onde obtemos o ferro por reduçãoindireta ou por redução direta.Processos de redução direta são aqueles nos quais a redução do minério de ferro aferro metálico é efetuada sem que ocorra, em nenhuma etapa do processo, a fusão dacarga no reator.A redução no estado sólido de minério de ferro por carvão é praticada desde aantigüidade, tendo sido o principal processo de obtenção de ferro até odesenvolvimento dos altos fornos. Assim, o produto metálico é obtido na fase sólida,sendo chamado de “ferro esponja”.O ferro esponja é um produto metálico com 85 a 95% de ferro e de 0,1 a 1,0% de C,podendo chegar a 2,0% de C. Tem aspecto esponjoso e é obtido no estado sólido àtemperatura em torno de 1100oC, a preços relativamente reduzidos se comparado agrandes siderúrgicas.Em geral, o ferro esponja é utilizado em fornos elétricos a arco em substituição àsucata para obtenção do aço, onde a sua característica vantajosa é a suasuperioridade em relação à sucata em termos de pureza (elementos de liga contidos nasucata podem dificultar o atendimento à especificação do aço a ser produzido).Os processos de redução direta podem ser divididos conforme o tipo de redutor, emduas classes: redutor sólido (carvão ou coque) ou redutor gasoso (gás natural-CH4e/ou gases redutores como CO, H2).Reações de reforma ou enriquecimento do gás redutor utilizado para reutilização noreator, normalmente feitos em reatores separados do reator de redução dos minérios.CO2 + C → 2COH2O + C → H2 + COCH4 + CO2 → 2CO + 2H2CH4 + H2O → CO + 3H2Reações de redução do minério de ferro no reator de redução.3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO23Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2OFe3O4 + CO → 3FeO + CO2Fe3O4 + H2 → 3FeO + H2O 48
  49. 49. FeO + CO → Fe + CO2FeO + H2 → Fe + H2OPortanto, as reações de redução no estado sólido (temperaturas entre 1000 a 1200oC)normalmente envolvem os gases redutores CO e H2.O processo de redução direta é um processo altamente viável em países poucoindustrializados, com minérios de alta qualidade, com escassez de sucata e com gásnatural em abundância, reduzindo conseqüentemente o emprego do coque que énecessário nos altos fornos, pois este redutor necessita de carvão mineral coqueificávele cujas reservas estão cada vez mais escassas.Principais processos de fabricação de ferro esponja:Processos utilizando retortaHYLHOGANNASProcessos com fornos rotativosKRUPP-RENNSL/RNSTEICO-LURGIDOREDProcessos com leitos fluidizadosFERRO.HESSO-LITTLENU-IRONHIB-NOVALFERProcessos com fornos de cubaWIBERGMIDREXPUROFERARMCO 49
  50. 50. Fig.3.19 – Esquema mostrando os diferentes processos de redução direta.04.2 - PROCESSOS DE REDUÇÃO INDIRETAO ferro é com certeza o mais versátil dos metais, cuja gama de aplicações estende-seaos próprios limites da imaginação. Em diversas aplicações de diversos materiais,sempre é possível encontrar uma liga que tenha como base o ferro.Dessa maneira a produção do aço em larga escala tornou-se uma necessidademundial, notadamente no pós-guerra como o desenvolvimento industrial do mundo.O desenvolvimento das aplicações ou das qualidades dos diversos tipos de aço ouligas de ferro em larga escala só foi possível graças a abundância do minério de ferro,sendo na maior parte na forma de óxidos.Por coincidência o minério de ferro pode ser reduzido num redutor extremamenteabundante que é o carvão. Desta forma, passou-se então a desenvolver métodos emáquinas que associassem a esses três elementos:- Abundância de minério;- Abundância de carvões;- Abundância de aplicações;Resultando um processo chamado "Alto Forno".04.2.1 – ALTO FORNOO alto forno é um tipo de forno de cuba empregado na produção de ferro gusa, pelafusão redutora de minérios de ferro em presença de carvão vegetal ou coque efundente, os quais são carregados no topo e, na descida, são transformados pela açãodos gases ascendentes, provenientes da combustão do carvão com o oxigênio sopradopelas ventaneiras, obtendo-se escória e ferro gusa líquidos pelo cadinho e poeiras egases no topo. 50
  51. 51. Fig.4.1 – Esquema mostrando um alto forno e seus principais equipamentos periféricos, como os regeneradores, ventoinhas, sistema de coleta de gases, casa de corrida, correia transportadora principal e carro torpedo.04.2.1.1 - FERRO GUSA E SUBPRODUTOSEm um Alto Forno, o ferro gusa é o principal produto e o gás de topo, pó e escória, sãorecuperados como subprodutos.1 - Ferro GusaO ferro gusa pode ser diferentemente classificado de acordo com a matéria primausada, constituintes e utilização.Geralmente é dividido em gusa para aciaria, gusa para fundição e gusa para ligas. Nautilização para aciaria o gusa usado é proveniente da mesma usina, desta forma,normas internas são feitas para controlar a composição química do mesmo.2 - Sub Produtosa) Gás de Alto FornoO gás de Alto Forno contém de 21 a 25% de CO, 18 a 22% de CO2, 2 a 5% de H2possuindo 700 a 800 kcal/Nm³ de poder calorífico e por isso ele é recuperado e usadocomo combustível. 51
  52. 52. O gás é limpo (no sistema de limpeza de gases), colocado em uso para diversos fins,tanto "puro" como em mistura com gás de coqueria ou com gás de convertedor.b) Pó de Alto FornoO pó recolhido no sistema de limpeza de gases, é formado pelo pó recolhido no balãode pó (dust catcher) e pelo pó úmido recolhido nos "Venturi scrubber" e/ouprecipitadores elétrostáticos.A composição de pó varia de acordo com a matéria prima usada, porém,aproximadamente é composto por 25 a 40% de Ferro; 40 a 45% de C; 5 a 7% de SiO2e 2 a 4% de CaO.c) Escória de Alto FornoA quantidade de escória produzida é normalmente 250 a 340 kg/t de gusa. A escória deAlto Forno era descartada, porém agora ela é um subproduto se apresentando naforma de escória bruta (aterros) e escória granulada (usada na fabricação de cimento).04.2.1.2 - IMPACTOS AMBIENTAIS GERAIS CAUSADOS PELA ESCÓRIAComo a fabricação de metal necessita de muitos minerais, principalmente o minério deferro e a sua etapa final é o resíduo escória, a desestabilização do meio ambiente éinerente. Os rejeitos metálicos gerados pela atividade siderúrgica, pela movimentaçãointensa de caminhões e máquinas e pela própria lixiviação dos montes de escória, sãoem grande parte acumulados nos sedimentos, devido suas características físico-químicas, tais como a granulometria fina das partículas e os valores do seu pH,contribui para a precipitação de metais na interface sedimento-água.Alguns bioacumuladores, presentes tanto no sedimento, quanto na água, servem dealimento aos seres humanos, o que implica dizer que os metais podem chegar a eles.O impacto da escória sobre o meio ambiente pode ocorrer de maneira direta ouindireta. O impacto direto ocorre quando a escória está na fase líquida, e o impactoindireto quando a escória está na fase sólida. Na fig.4.2, apresenta-se os impactos daescória, de uma maneira geral. Escória Escória Líquida Escória Sólida Vaporização Condensação Lixiviação Solubização Fig.4.2 – Fluxograma dos impactos ambientais gerais da escória de alto forno. 52

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