Siderurgia da mat prima ao lam

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Siderurgia da mat prima ao lam

  1. 1. Gerência de EnsinoCoordenadoria de Recursos DidáticosApostila deSIDERURGIAda matéria prima aoaço laminadoVitória - Janeiro - 2006COORDENADORIA DE ENGENHARIA METALÚRGICA
  2. 2. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 2SIDERURGIAda matéria prima aoaço laminadoAutor:Marcelo Lucas Pereira MachadoEngenheiro Metalurgista – UFF – RJDoutor em Engenharia Elétrica/Automação – UFESMestre em Engenharia Metalúrgica – PUC-RJPós-Graduado em Educação / Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFESProfessor e Coordenador do Curso de Engenharia Metalúrgica do Centro Federalde Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo – CEFET-ESVitória -ES2006
  3. 3. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 3APRESENTAÇÃOEste curso siderurgia, objetiva, portanto, apresentar de uma maneira global todos osprocessos que se desenvolve em uma siderúrgica, desde as matérias primas comominéio de ferro, carvão, coque e fundentes, passando pelo processos de preparaçãodas matérias primas, tais como, sinterização, coqueria, calcinação e pelotizacao.Dos processos de extração do ferro metálico, consta neste trabalho, alguns processosde redução direta, tais como, o Midéx e o HyL e processos de redução indireta, taiscomo, os fornos elétricos de redução e o alto forno.Alguns processos de refino primário e secundário são apresentados, entre elesdestaca-se o processo LD e o RH, respectivamente.A laminação apresentada neste trabalho está voltada para a laminação a quente,mostrando inclusive os aspéctos metalúrgicos durante a laminação.Em todos estes processos procura-se utilizar os conceitos de termodinâmica e físico-química para explicar as razões do funcionamento de muitos processos e confrontarresultados teóricos com os práticos.Finalmente, tem-se uma parte deste trabalho que trata da siderurgia e o meio ambienteonde procura-se relatar os efeito dos gases , resíduos, sucatas, etc gerados por umasiderúrgica, ao meio ambiente, e o que tem sido feito para minimizar ou até mesmoeliminar os efeitos nocivos dos mesmos.
  4. 4. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 4SUMÁRIO01 - 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.............................................................................................1802 - VISÃO GERAL DAS MATÉRIAS PRIMAS..............................................................192.1 - Introdução...............................................................................................................192.2 - Classificação das matérias primas.........................................................................192.2.1 - Minérios de Ferro................................................................................................192.2.1.1 - Características dos Minérios de Ferro para Sinterização.................................202.2.1.1.1 - Características Físicas.............................................................................. ...202.2.1.1.2 - Características Químicas......................................................................... ....212.2.1.2 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno................................ ...212.2.1.2.1 - Características Físicas dos Minérios de Ferro para Alto Forno................ ...222.2.3 - Fundentes....................................................................................................... ....222.2.4 - Matérias primas de Geração Interna............................................................... ...232.3 - Adições............................................................................................................. .....232.4 – Pelotas de minério de ferro............................................................................... ....232.5 - Carvão Mineral e Vegetal................................................................................... ...242.5.1 - Origens e Geologia............................. .............................. ............................ ....242.5.2 - Variedades de Carvões................................................................................... ...2503 - PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS............................... ........................ ....2903.1 - Recebimento das matérias primas................................................ .................. ...2903.2 - Calcinação.............................. ......................................................................... ...3003.3 - Coqueria.............................. ........................................... ................................ ...3103.3.1- Fluxograma da Coqueria da CST........................... .................................. ... ....3103.3.2 - Preparação da mistura de carvões........................... ................................... ....3203.3.3 - Enfornamento.................................. .......................... .................................. ...3203.3.4 - Aquecimento/Coqueificação............................ .................................. ......... ....3503.3.5 - Desenfornamento............................ .................................. .......................... ...3703.3.6 - Apagamento................................................................................................. ....3703.3.6.1 - Apagamento a úmido........................... .................................. ................. ....3703.3.6.2 - Apagamento a seco.............................. .................................. ................. ....3803.3.7 - Preparação do coque..................................................................... .............. ...4003.3.8 - Tratamento das matérias voláteis.............................. .................................. ...4003.4 – Pelotização..........................................................................................................4203.4.1 – Descrição do processo.....................................................................................4203.4.2 – Pátio de matéria-prima.....................................................................................43
  5. 5. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 503.4.3 – Moagem............................................................................................................4403.4.4 – Espessamento e homogeneização...................................................................4503.4.5 – Filtragem...........................................................................................................4503.4.6 – Pelotamento......................................................................................................4603.4.7 – Queima.............................................................................................................4703.5 - Sinterização............................................................... .................................. .. ....4903.5.1 - Princípio da sinterização............................. .................................. .............. ...5003.5.2 - Movimento da frente de combustão............................. ............................... ....5003.5.3 – Reações durante a sinterização.............................. .................................... ...5103.5.4 - Fluxograma de uma sinterização............................. .................................... ...5203.5.5 - Máquinas de sinterização............................. .................................. ............ ....5303.5.6 - Preparação do sínter............................. .................................. .................... ...5404 - PROCESSOS DE REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERROS.. ........................ ...5504.1- Fundamentos da redução do minério de ferro......................................................5504.1.1 – Diagrama ferro oxigênio – Fe-O.......................................................................5504.1.2 – Sistema carbono oxigênio – C-O......................................................................5904.1.3 – Sistema ferro carbono oxigênio – Fe-C-O........................................................6004.1.4 – Estudo combinado dos sistemas – C-O e Fe-C-O.........................................6304.2 - Processos de redução direta............................................................... ........... ....6604.2.1 - Processo de redução direta midréx...................................................................6804.2.2 - Processo HyL…………………………...............................................................7104.3 - Processos de redução indireta....................................................................... .....7504.3.1 – Forno elétrico de redução/Baixo forno..............................................................7504.3.2 – Alto forno.............................................................. ....................................... ...7904.3.2.1 - Ferro gusa e subprodutos............................ .................................. ......... ....7904.3.2.2 - Corpo principal do Alto Forno............................. ...................................... ....8104.3.2.3 – Aspectos internos do Alto Forno.............................. ................................ ....8104.3.2.4 - Periféricos do Alto Forno............................................................................ ...8604.3.2.5 – Potencial de oxigênio / diagrama de Ellinghan............................................. 9304.3.2.5.1 – Potencial de oxigênio em um reator...........................................................9905 – PROCESSOS DE REFINO DO AÇO........................................... ......................10605.1 – análise termodinâmica das reaçoes de refino...................................................10605.2 - Dessulfuração ....................................................................... ........................ ...11205.2.1 – Reações na dessulfuração........................................................... ............. ...11205.3 - Produção do aço no convertedor.................................................................... ..11405.3.1 -Processos de sopro pneumático.................................. ...................................11405.3.1.1 - Processos de sopro a oxigênio................................. ..................................11605.3.1.1.1 - Convertedor LD.............................................................. ...................... ...11805.3.1.1.2 - Convertedor LD-KGC............................ .................................. .......... .....12305.3.1.1.3 - Convertedor K-BOP e Q-BOP............................ ............................... ......12405.4 - Refino secundário............................... .............................. ......................... ......12505.4.1 - Definição...................................................................................... ....... ...........12505.4.2 - Classificação dos processos..................................................................... .....12606 - LINGOTAMENTO CONTÍNUO................................................. ........................ ...13206.1 - Características................................ ............................ ............................... ......13206.2 - O processo de lingotamento contínuo............................ ............................. .....13306.3 - Operação................................ ............................ ........................................ .....134
  6. 6. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 606.4 - Importância do controle do processo nas propriedades metalúrgicas...............13606.5 – Comparação entre os rendimentos no lingotamento convencional e contínuo.13707 - FORNOS DE AQUECIMENTO.................................................. ...................... ...13807.1 - Classificação dos fornos de reaquecimento............................... .......................13907.1.1 - Fornos descontínuos ou intermitentes....................................................... ....13907.1.2 - Fornos contínuos.................................. ............................ ...................... ......14007.2 - Produção.................................. .......................... .................................. ..... .....14308 - LAMINAÇÃO......................................................... ........................................ ......14408.1 - Definições dos produtos laminados............................ .................................. ....14608.1.1 - Classificação dos produtos semi-acabados........................... .................. .....14708.1.2 - Classificação dos produtos acabados....................................................... .....14708.2 - Classificação dos laminadores..................................................................... .....14908.3 - Órgãos mecânicos de um laminador........................... ............................... ......15608.4 – Laminação a quente.................................................................................... .....16108.4.1 – Laminação de tiras a quente.................................................................... .....16308.4.2 - Aspéctos metalúrgicos na laminação da laminação a quente.........................16909 – DECAPAGEM ............................................... ......................................................17609.1 - Constituição da camada de óxido .....................................................................17609.2 - Decapagem com ácido sulfúrico e clorídrico .....................................................17709.3 – Inibidores ............................................... ..........................................................17709.4 – Decapagem contínua .............................................. .........................................17809.5 – Limpeza da superfície por meios mecânicos ....................................................18010 – LAMINAÇÃO A FRIO ............................................... ..............................................18110.1 - Processos de laminação ....................................... ...............................................18210.7 – Laminação de chapa fina ............................................ .........................................18510.9 – Laminadores de encruamento e acabamento..................... .....................................18610.10 – Processo de laminação a frio da usina Vega do Sul ..............................................18610.10.1 – Etapas da produção ............................................... .........................................18810.10.2 – Decapagem, laminação a frio, recozimento e encruamento .................................18810.10.3 – Galvanização .......................................... .......................................................19111 - A SIDERURGIA E O MEIO AMBIENTE......................... ......................................19311.1 – Introdução..........................................................................................................19311.2 - Resíduos Siderúrgicos e Reciclagem.................................................................19511.3 - Escórias Siderúrgicas: Altos-Fornos e Aciarias..................................................19711.4 – Refratários.........................................................................................................19811.5 – Sucatas..............................................................................................................19911.6 - Consumo de energia elétrica numa usina siderúrgica................................. .....20112 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................ ......................... .................. ........202
  7. 7. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 701 - 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.
  8. 8. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 8Fig.1.1 – Tipo de forja Catalã usada por Fernando sardinha em 1587Fig.1.2 – Perfil de um forno CatalãoFig.1.3 – Forja Catalã acionada por foles manuais, da Idade Média.
  9. 9. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 9Fig.1.4 – Alto forno de 1640, com acionamento hidráulico. Os fornos eram construídosjuntos de barrancos para permitir o carregamento pelo topo por carrinhos demão.Fig.1.5 – Foto de um alto forno americano do século XVII, com foles acionados porroda 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 ferros
  10. 10. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 10fundidos.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).
  11. 11. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 11A 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 nocentro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui átomos de ferrono centro das faces do reticulado.Fig.1.7 – Esquema mostrando as estruturas cristalinas cúbicas de corpo centrado CCCe 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 altaEstrutura EstruturaCCC CFC
  12. 12. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 12liga: Inoxidáveis ferríticos, inoxidáveis austeníticos, para ferramentas e matrizes, etc.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.
  13. 13. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 1301.5 – 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$220,00ItPlacas de aço carbono: R$450,00ItChapas de aço carbono: R$1.200,00ItChapas de aço inox. Ferrítico: R$6.000,00ItChapas de aço inox. Austenítico: R$13.000,00ItChapas de alumínio: R$12.000,00/tChapas de alumínio ligado: R$30.000,00ItChapas 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 a
  14. 14. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 14quantia de R$1.800.000.000,00. Como se pode deduzir, nesse caso, há uma ampliaçãode 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 INTEGRADASMatérias 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.Ling. contínuo, laminação, fundiçãoMatérias PrimasPreparação das matérias primasExtração do metalElaboraçãoConformaçãoProduto final acabadoSinterização, pelotização, etcAlto-forno, etcAciaria, refino secundário, etcPerfiz, vergalhões, Tiras, chapasMinérios, carvões, fundentes, etc
  15. 15. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 15Extração: 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.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.ALTO FORNOMinério granuladoCarvão vegetal FundentesArGusa sólidoGusa líquidovendasPoeiras e gasesEscória
  16. 16. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 16FLUXOGRAMA DA SIDERÚRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMÉRICA01.6.4 - 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;• Pátio de estocagem de minério e fundentes onde ocorre a produção da mistura dosmateriais necessários à produção de sinter consumido no Alto Forno.Alternativamente à utilização do sinter, pode-se ter o consumo de pelotas capaz desubstituir o sinter em parte ou integralmente;• Coqueria que produz o coque para a composição de carga do Alto Fornojuntamente com minério de ferro, sinter e/ou pelotas;• A coqueria gera alguns efluentes sólidos, líquidos e gasosos, que sãoreaproveitados em sua quase totalidade no próprio processo. Um desses efluentesSucata OxigênioFundentesGusaFerros-ligasAciaria Elétrica EscóriaPoeiras e gasesAço líquidoLingotamento contínuoLingotesTrefilaçãoPerfiz evergalhõesLaminação
  17. 17. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 17é o COG - gás de coqueria, que é um rico a combustível utilizados em váriasunidades da usina, principalmente no Alto Forno;• O processo pode substituir, em parte, o coque por carvão pulverizado, que éinjetado na parte inferior do Alto Forno (na região das ventaneiras). Este será ocaso do Alto Forno II, que consumirá grande parte de carvão pulverizado que seráproduzido na unidade de PCI;• Sinterização, que é a unidade de produção do sinter consumido no Alto Forno comoé o caso atual da CST. O sinter é produzido na máquina de sinter utilizando minériode ferro bitolado, minério de manganês, fundente constituído de finos de calcário ecombustível constituído de finos de coque e o COG, que tem também é utilizado.• Utilidades: sob esta denominação são consideradas várias unidades que produzeminsumos complementares para o consumo em outros unidades da usina. Destaforma, 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 processoindustrial (Alto Forno, Sinterização, Coqueria, Lingotamento, Dentre outrasunidades). Estação de tratamento de água (ETA) e recirculação, que promove oreaproveitamento, em circuito fechado, da maior parte da água doce utilizada.Unidade de ar comprimido que alimenta várias unidades com ar, também éutilizado no processo de fracionamento de ar, também utilizado no resfriamento devários elementos envolvidos no processo industrial;• Calcinação, que utiliza o calcário para produção de cal, consumida na Aciaria e naSinterização;• Aciaria, que produz o aço a partir do ferro gusa (processo de oxidação emconvertedores 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 aquente.• Unidade de Laminação de Tiras a Quente, onde a placa após reaquecimento emforno de placa é encaminhada ao trem de laminação a quente onde sofre a devidaconformação, tendo como produto final a bobina de tira a quente, que pode serutilizado como produto comercial, após passar pela laminação de acabamento oudestinado para o cliente para alimentar o trem de laminação a frio.• Sistema de lavagem e limpeza de gases utilizados nas demais unidades, cujosgases apresentam níveis de contaminação que necessitam ser minimizados antesde serem utilizados no próprio processo (COG e BFG).
  18. 18. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 1801.7 – FLUXOGRAMA DA CST.Laminação de tiras à quenteSinter feed Carvão mineralSinterização Coqueria Matérias VoláteisSinterCoque Minério granuladoPelotasEscóriaCalcárioAlto-FornoOxigênioArCalPoeirasGasesGusa líquidoDessulfuraçãoConvertedorFundiçãoPeçasFerro-ligasEscóriaAço líquidoPoeirasGasesSucatasRefino secundárioLingotamento contínuoPlacasTiras ExpediçãoCalcinação
  19. 19. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 1902 - 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. 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 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. 20. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 20Magnetita - 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 FeS2.2.2.1.1 - 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.2.2.1.1.1 - 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. 21. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 21A 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.2.2.1.1.2 - 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.2.2.1.2 - 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:
  22. 22. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 22- Alto teor de ferro- Baixos teores de fósforo, álcalis e enxofre.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.2.2.1.2.1 - 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.2.2.3 - 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)FundentesÁcidos (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.
  23. 23. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 232.2.4 - 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 tornoufundamental 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).2.3 - 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 TiO2.2.4 – Pelotas de Minério de FerroAs jazidas de minério de ferro contêm, in situ, em porcentagens variáveis, uma parcelade finos (abaixo de 6mm). Além disso, durante a lavra do minério de ferro, a suaclassificação em diversas granulometrias e o seu manuseio e transporte, é gerada uma
  24. 24. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 24quantidade elevada de partículas finas e ultrafinas, cuja aplicação direta na indústriasiderúrgica é impraticável, porque tornaria a carga pouco permeável à passagem dosgases ascendentes, dificultando em muito a operação nos altos-fornos.Por outro lado, a separação da parcela final, como rejeito, provocaria:- diminuição do rendimento da lavra- aumento do custo do produto- perdas nas reservas de minérioCom propósito de elevar o rendimento da mina e melhorar a economicidade global dosistema, surgiram os processos aglomeração, cujo objetivo seria agregar em pedaçosde tamanho adequado uma infinidade de minúsculas partículas de minério quereunissem características de qualidade compatíveis com sua utilização nos processossiderúrgicos.Os meios empregados para proceder à aglomeração envolvem, em geral, oprocessamento térmico a altas temperaturas. Assim ,tiveram origem os processos desinterização, no final do século passado, e o de pelotização, no início do atual.A sinterização se encarregou de uma parcela dos finos. Esse processo, porém,mostrou-se inapropriado à absorção da outra parcela, a de ultrafinos. Para absorvê-Iafoi idealizado o processo de pelotização. Com esses dois processos - o de sinterizaçãoe o de pelotização - todos os finos gerados na mineração puderam ser aglomeradosem tamanhos convenientes, o que permitiu sua aplicação direta nos altos-fornos.A pelotização é, assim, um processo de aglomeração, cuja finalidade é agregar, com orecurso de um processamento térmico, a parcela ultrafina do minério em esferas dediâmetros adequados (entre 8 e 18 mm), com características de qualidade que2.5 - Carvão Mineral e Vegetal2.5.1 - 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 clima
  25. 25. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 25ameno, 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.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.2.5.2 - 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.
  26. 26. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 26Com 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-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.
  27. 27. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 27HULHASAs 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 decorantes, 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 Grego
  28. 28. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 28ANTRAX = 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. 29. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 2903 - 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 pilhasBRITAÇÃOBritação 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.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.PENElRAMENTO
  30. 30. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 30São operações feitas em classificadores geométricos, denominados peneiras ougrades vibratórias, com o fim de separar cada grupo das matérias primas conformeseus 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.03.2 - 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 deCalcárioSaída dos gasesFig.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 dosQueimadores1250oCCal
  31. 31. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 31carbonatos, sendo possível produzir cal calcítica e/ou cal dolomítica. A coleta da calproduzida ocorre na extremidade inferior do forno.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.03.3 – 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.03.3.1- FLUXOGRAMA DA COQUERIA DA CST.Alto FornoMistura de carvõesGás bruto ( matérias voláteis)(25%)Bateria de coqueBritador Usina de subprodutosClassificadorCoque grosso ( > 75mm)(75%)Coque fino ( < 0,25mm)Coque Bitolado( 20 - 75mm) SinterizaçãoPiridina (0,01%)Óleos leves (1,22%)Gás de coqueria (17%)Sulfato de amônia (1,2%)Alcatrão (5,3%)
  32. 32. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 3203.3.2 - 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.03.3.3 – 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. 33. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 331- Correia transportadora 4- Fornos (retortas) 7- Duto de matérias voláteis2- Silo principal 5- Rampa de descarga3- Carro alimentador 6- Vagão de apagamentoFig.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 epeneiramento do coque.
  34. 34. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 34Fig.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. 35. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 35Fig.3.7 – Esquema de um forno com duplo par de canais.Fig.3.8 – Esquema do processo de coqueificação.03.3.4 - 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 de
  36. 36. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 36características adequadas a uma destilação (aquecimento em ausência de ar). Estadestilação 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 300oC, a mistura de carvões permanece sólida, liberando somentevapor d’agua e poucos gases (CO etc).Entre 300 e 500oC, 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 900oC, 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 CA – 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 formaçãodo coque.
  37. 37. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 3703.3.5 - 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 incandescente03.3.6 - APAGAMENTOO coque deve ser apagado imediatamente, para impedir sua queima, o que pode serfeito a úmido ou a seco.03.3.6.1 - 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. 38. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 38Fig.3.11 – esquema de uma torre de apagamento à úmido03.3.6.2 - 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 de1050oC, desce para a câmara de resfriamento onde entra em contato com a correntegasosa ascendente, sendo resfriado.A pré-câmara desempenha duas importantes funções:
  39. 39. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 39a - Absorve as variações na alimentação do coque, proporcionando uma geraçãoestável de vapor.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 180oC 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 800oC. 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 350oC que movimenta algumas bombas do CDQ.O gás sai da caldeira já com sua temperatura reduzida a aproximadamente 180oC,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. 40. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 40Fig.3.12 – Processo de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ)03.3.7 - 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.03.3.8 -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 COG
  41. 41. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 41Processo de precipitação eletrostática de partículas de alcatrão Processo de absorçãode amônia.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. 42. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 4203.4 - PELOTIZAÇÃOO desenvolvimento da pelotização até os nossos dias baseou-se numa série defatores, entre os quais seria oportuno destacar os seguintes:1. O sucesso alcançado pelos norte-americanos na concentração e aglomeração (porpelotamento) de seu minério de baixo teor metálico, o taconito.2. As perspectivas de exaustão das reservas de minério de alto teor.3. A melhoria dos índices operacionais dos altos-fornos com o emprego deaglomerados, substituindo-se gradativamente os minérios naturais.4. A racionalização do aproveitamento dos finos de minério de ferro, oriundos da lavra,do peneiramento e do manuseio.5. A participação de novos fornecedores de minério no mercado internacional, quetornou a competição mais acirrada e exigiu melhor qualidade das matérias-primas.6. A evolução da técnica de operação dos altos-fornos, sobretudo no que se refere aocuidado na preparação da carga.Esses fatores, evidentemente, não atuaram de forma isolada, mas houve influênciasimultânea de vários deles no decorrer dos últimos trinta anos.03.4.1 - DESCRIÇÃO DO PROCESSOAs 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 característicasnecessárias exigidas pelo mercado consumidor.De forma genérica, o processo de pelotização nas usinas de a Tubarão apresenta trêsfases distintas:- Preparação da matéria-prima- Formação de pelotas cruas- Processamento térmico.A preparação da matéria-prima consiste em processar o minério recebido das minas,de modo a lhe dar características necessárias para se fazer a pelota crua. Incluem-se
  43. 43. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 43nesta fase as seguintes operações: recuperação de matériaprima do pátio, moagem,espessamento/homogeneização, filtragem.A formação da pelota crua, fase chamada pelotamento, é uma das mais importantes. Éa transformação do minério, já pulverizado e misturado com o aglomerante, a umadeterminada umidade, em pelotas cruas.O processamento térmico, feito no forno de grelha contínua, permite, pelo aumentogradativo de temperatura, dotar as pelotas de uma alta resistência física e depropriedades metalúrgicas apropriadas para utilização nos altos-fornos.Descreveremos a seguir, com alguns detalhes, as diferentes etapas do processo depelotização.03.4.2 – PÁTIO DE MATÉRIA-PRIMAO empilhamento da matéria-prima (pellet-feed) é feito por uma "empilhadeira móvel",com capacidade de 6.000t/h, que deposita os diferentes tipos de minério em camadassucessivas nas proporções definidas pelo produto final desejado. O calcário éintroduzido durante a formação da pilha na proporção de 13kg/t de minério acapacidade média do pátio de cada usina é de 200 mil toneladas.O controle da composição químjca e granulométrica da pilha de alimentação é feitocom auxílio de computador. O resultado das análises químicas e granulométricas decada trem de 10.000 t é comunicado ao sistema de computação que informa, por suavez, qual o teor médio que deverá ter o próximo trem para manter a pilha dentro doslimites especificados.A alimentação da usina processa-se a partir de uma recuperação de caçambas, comcapacidade de 1.400t/h, que transfere o pellet-feed para os silos de alimentação dosmoinhos, mediante um sistema de correias transportadoras.O sistema foi projetado de tal modo que o conjunto de operações de estocagem erecuperação conduz à perfeita homogeneização dos diferentes tipos de minérioconstituintes da pilha.Recentemente, passou-se a acrescentar calcário e carvão ou minério, antes de seuencaminhamento aos moinhos.
  44. 44. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 44Fig.3.13 - Empilhamento de pellet feed.03.4.3 – MOAGEMA moagem dos finos de minério de ferro é feita a úmido, em circuito fechado, em duaslinhas paralelas de moagem, com capacidades individuais de 225t/h.Cada linha compreende um silo com a capacidade de 900t, uma mesa alimentadora,uma correia transportadora dotada de balança, um moinho de bolas e um grupo de hi.drociclones de 500 mm de diâmetro.Da mesa alimentadora, o minério cai numa correia de alimentação do moinho de 5 mde diâmetro x 10m de comprimento, girando a 12,6rpm, o equivalente a 68% de suavelocidade crítica.Cada moinho tem uma carga de 300 t de corpos moedores (bolas). A porcentagem desólidos no moinho, que é mantida com adição de água na entrada, é de 70%.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 alimentação dos ciclones exige uma porcentagem de sólidos da ordem de 45%;assim, na saída do moinho adiciona-se mais água, e essa polpa, constituída de água,minério e, eventualmente, calcário e carvão, é bombeada para o grupo dehidrociclones, onde é feita a classificação: a parcela do material suficientemente fino,abaixo de 325 mesh, é conduzida ao espessador; o resto retorna ao moinho pararemoagem.
  45. 45. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 4503.4.4 – ESPESSAMENTO E HOMOGENEIZAÇÃOA polpa procedente dos hidrociclones, com cerca de 20% de sólidos, é recebida em umespessador com 50m de diâmetro, com a finalidade de aumentar a porcentagem desólidos e recuperar a água para retorno ao processo. Do espessador, a polpa, agoracom 70% de sólidos, é bombeada para tanques de homogeneização com capacidadede 1200 m3.Agitadores rotativos no interior de cada tanque mantêm os sólidos em suspensão eauxiliam a homogeneização da polpa, minimizando as variações das característicasfísicas e químicas do material.A água de transbordamento no espessador é reconduzida aos moinhos por um sistemade tanque e bombas de recalque. Do tanque, a polpa é bombeada para a seção defiltragem, através de uma bomba de velocidade variável. Um sistema de controle porradiação, que comanda a velocidade da bomba, controla automaticamente aporcentagem dos sólidos.Fig.3.14 - Espessador e tanques de homogeneização da CVRD.03.4.5 –FILTRAGEMA operação de filtragem tem por finalidade reduzir a umidade da polpa proveniente dostanques de homogeneização.A filtragem a vácuo é feita em nove conjuntos de filtros a disco, de eixo horizontal.Cada conjunto é composto de 10 discos em paralelo, de 2,5 m de diâmetro, cujafinalidade é reduzir a água da polpa de 30% para 8,7%. Após esta operação, a polpa édenominada polpa retida.A essa polpa retida mistura-se usualmente uma determinada quantidade de calhidratada (cerca de 20 a 30 kg/t) ou de bentonita (5 a 6 kg/t), que exercerão o papel deaglomerante no processo de pelotamento.
  46. 46. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 46A uniformização da mistura é realizada em misturadores cilíndricos rotativos, querecolhem a produção de polpa retida dos filtros. Em seguida, a mistura é endereçadaaos discos de pelotamento, por meio de transportadores de correias.A seguir, a “polpa retida” será transportada por correias transportadoras até os silosdos discos de pelotamento.03.4.6 – PELOTAMENTOÉ a formação da pelota crua, que ainda não recebeu o tratamento térmico. Aimportância da fase de pelotamento se deve ao fato de que uma boa qualidade dapelota crua é fundamental para a fase seguinte. Faz-se o pelotamento em discos com7,5m de diâmetro, que giram a 16rpm com uma inclinação de 48° a 550e comcapacidade de processamento de 120t/h de “polpa retida”. A polpa vai ao disco pormeio de um sistema de silo dosador, balança e desagregador.Com uma umidade bem determinada, por ação do aglomerante e da capilaridade,formam-se pequenos núcleos esféricos, que vão crescendo pelo efeito de "bola deneve". Quando a pelota chega a um determinado diâmetro, entre 8 e 18mm, ela saiautomaticamente do disco, caindo numa correia receptora.Essas pelotas, chamadas pelotas cruas, apresentam pouca resistência quandomanuseadas; por isso, são levadas ao forno por correia de baixa velocidade,observando-se pequenas quedas nas transferências. Na entrada do forno uma peneirade rolos elimina a parcela menor que 6 mm, que retorna ao processo.Essa peneira de rolos é alimentada por um transportador especial, o qual permiteregular a distribuição das pelotas na entrada do forno, de modo a manter uniforme aaltura da camada na grelha.Fig.3.15 - Disco de pelotamento.
  47. 47. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 4703.4.7 – QUEIMAA 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.O forno onde é feito o tratamento térmico da pelota crua é constituído por uma grelhacontínua, sistema Lurgi-Dravo, semelhante a uma grelha de sinterização, comdimensões de 3,5m x 129m.Nesse processo térmico, as pelotas adquirem alta resistência mecânica ecaracterísticas metalúrgicas apropriadas para utilização no alto-forno.O forno é dividido em cinco setores, correspondendo às fases:• secagem ascendente• secagem descendente• preaquecimento e queima• pós-queima• resfriamentoNas secagens ascendente e descendente, a camada de pelotas cruas de 42 cm recebeum fluxo de gases quentes, resultando em total eliminação de água livre; a temperaturachega a 300oC.Em seguida, a pelota crua entra na região de pré-queima e na de queima, ondequeimadores colocados nas partes laterais aumentam a temperatura gradativamente,até atingir 1350oC.Saindo dessa fase, as pelotas recebem um fluxo de ar frio que provoca seuresfriamento até cerca de 100°C, na descarga do forno. Esse ar se aquece e é usadona.zona de secagem e queima, recuperando parte do calor.A fim de se proteger a grelha e de se obter melhor permeabilidade da carga,fundamental para uma boa queima, as pelotas cruas não são carregadas diretamentesobre a grelha, mas sobre uma camada recirculante de pelotas já queimadas com 8 cmde espessura. Também as laterais da grelha são protegidas por esse tipo de camada.Ventiladores de grande volume (40.000 Nm3/min.) são responsáveis pelo fluxo do ar ede gases nas diferentes fases do forno.As pelotas descarregadas do forno são levadas a uma peneira, que elimina a parcelaabaixo de 5mm (cerca de 1,5%). Essa peneira permite também separar a parte doproduto que é recirculada através da camada de forramento.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.
  48. 48. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 481 - Pelotas cruas 5 - Secagemdescendente9 - Resfriamento I 13 - Ar frio2 - Alimentador derolos6 - Pré-queima 10 - Resfriamento II 14 - Pelotas paraforramento3 - Grelha 7 - Queima 11 - Tubulão derecuperação15 - Produção4 - Secagemascendente8 - Pós-queima 12 - Caixas de vento 16 - FinosFig.3.16 - Esquema de um forno de pelotização.
  49. 49. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 49Fig.3.17 - Fluxograma do processo de pelotização da CVRD.03.5 - 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.
  50. 50. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 5003.5.1 - 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.3.18 – Esquema do princípio da sinterização.03.5.2 - 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.Fig.3.19 – Esquema mostrando o movimento da frente de combustão.
  51. 51. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 5103.5.3 – REAÇÕES DURANTE A SINTERIZAÇÃOa) Secagem: até 300oC - Vaporização da áqua livre.H2O(l) → H2O(v)b) Desidratação: 400 a 500oC Vaporização da água combinadaCa(OH)2 → CaO + H2O(v)c) Redução superficial do minério de ferro3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2d) Decomposição de carbonatos: 750 a 1150oCCaCO3 → CaO + CO2e) Formação de silicatos: 600 a 1300oCAl2O3 + SiO2 → Al2O3.SiO22CaO + SiO2 → 2CaO.SiO2Fe2O3 + SiO2 + CO → 2FeO.SiO2 + CO22 CaO.SiO2 + 2 FeO.SiO2 → 2(CaO.FeO.SiO2)f) Formação de Cálcio-ferritas: 600 a 1300oCCaO + Fe2O3 → CaO.Fe2O3CaO + 2Fe2O3 → CaO.2Fe2O3g) Combustão do Coque: 1300oCC + O2 → CO2C + 1/2O2 → COh) Formação da magnetita:3FeO 1/2O2 → Fe3O4
  52. 52. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 5203.5.4 - FLUXOGRAMA DE UMA SINTERIZAÇÃOSinter FeedCoque Fundentes Água OutrosMisturadorSINTERIZAÇÃOBirtador primárioResfriadorPeneira (50mm)< 50mm> 50mmBritador secundário20mmPeneiras 10mm5mmSinter ALTO FORNO5mm5 a 50mm10 a 20mmFalsa grelha (Beding)
  53. 53. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 53O 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).03.5.5 - 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.3.20 – Esquema mostrando Uma máquina de sinterização intermitente e o avanço ea 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.
  54. 54. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 54Fig.3.21 – Corte longitudinal do leito de uma máquina de sinterização contínuaFig.3.22 – Corte Transversal do leito de uma máquina de sinterização contínuaFig.3.23 – Esquema mostrando o sistema de exaustão de uma sinterização contínuatipo Dwight-Lloyd.03.5.6 - 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.
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  66. 66. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 6604.2 - 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 + H2OFeO + CO → Fe + CO2FeO + H2 → Fe + H2O

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