Apostila reducao dos_minerios_de_ferro_cefetes

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  1. 1. Gerência de Ensino Coordenadoria de Recursos Didáticos REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERRO FUNDAMENTOS E APLICAÇÃO Vitória - Novembro - 2006 COORDENADORIA DE ENGENHARIA METALÚRGICA
  2. 2. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 2 REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERRO FUNDAMENTOS E APLICAÇÃO Autor: MARCELO LUCAS PEREIRA MACHADO Engenheiro Metalurgista – UFF – RJ Doutor em Engenharia Elétrica/Automação – UFES Mestre em Engenharia Metalúrgica – PUC-RJ Pós-Graduado em Educação / Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFES Professor e Coordenador do Curso de Engenharia Metalúrgica do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo – CEFET-ES Vitória -ES 2006
  3. 3. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 3 APRESENTAÇÃO Neste estudo, será dado inicialmente uma fundamentação teórica em redução dos minérios de ferro considerando os sistemas Fe-O, C-O, Fe-C-O, Fe-H-O, além de conceitos de cinética aplicada ao processode redução dos minérios de ferro e também o conceito de potencial de oxigênio. Vários processos de extração do ferro metálico constam neste trabalho, alguns processos de redução direta, tais como, Midrex, HyL e FASTMELT e processos de redução indireta, tais como, os fornos elétricos de redução, Tecnored e o Alto forno. Em todos estes processos procura-se utilizar os conceitos de termodinâmica e físico- química para explicar as razões do funcionamento de muitos processos e confrontar resultados teóricos com os práticos.
  4. 4. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 4 SUMÁRIO 01 - Considerações Gerais.............................................................................................05 01.1 -Histórico da Siderurgia..........................................................................................05 01.2 - Conceitos Básicos................................................................................................07 01.3 - Principais produtos siderúrgicos...........................................................................07 01.3.1 - Diagrama de equilíbrio Ferro – Carbono...........................................................08 01.4 - Classificação dos Aços.........................................................................................10 01.5 - Importância dos produtos siderúrgicos.................................................................11 01.6 - Fluxogramas de usinas siderúrgicas....................................................................12 01.6.1 - Fluxograma reduzido de usinas integradas.......................................................12 01.6.2 - Fluxograma da CBF..........................................................................................13 01.6.3 - Fluxograma da Siderúrgica Belgo Mineirade Jardim América..........................14 01.6.4 - Ciclo Operacional da CST.................................................................................14 01.7 - Fluxograma da CST.............................................................................................16 02 - Processos de redução dos minérios de ferros........................... ........................ ...17 02.1- Fundamentos da redução do minério de ferro......................................................17 02.1.1 – Diagrama ferro oxigênio – Fe-O.......................................................................17 02.1.2 – Sistema carbono oxigênio – C-O......................................................................21 02.1.3 – Sistema ferro carbono oxigênio – Fe-C-O........................................................22 02.1.4 – Estudo combinado dos sistemas – C-O e Fe-C-O.........................................25 02.2.5 – Cinética da redução dos minérios de ferro.......................................................34 02.2 - Processos de redução direta............................................................... ........... ....43 02.2.1 - Processo de redução direta midréx...................................................................46 02.2.2 - Processo MIDREX-FASTMELT.........................................................................49 02.2.3 - Processo HyL…………………………...............................................................52 02.3 - Processos de redução indireta....................................................................... .....57 02.3.1 – Forno elétrico de redução/Baixo forno..............................................................57 02.3.2 – Processo Tecnored.............................................. ....................................... ....61 02.3.3 – Alto forno.............................................................. ....................................... ...66 02.3.3.1 - Ferro gusa e subprodutos............................ .................................. ......... ....66 02.3.3.2 - Corpo principal do Alto Forno............................. ...................................... ....68 02.3.3.3 – Aspectos internos do Alto Forno.............................. ................................ ....69 02.3.3.4 - O Alto Forno ideal............................................................................ ..............78 02.3.3.5 – Elaboração da escória de um Alto Forno......................................................79 02.3.3.6 - Periféricos do Alto Forno............................................................................ ...81 02.3.3.7 – Potencial de oxigênio / diagrama de Ellinghan............................................. 96 02.3.3.7.1 – Potencial de oxigênio em um reator.........................................................102 02.3.3.3 – Exercícios sobre cálculo de carga e balanço térmico do Alto-Forno...........112 03 - Referências bibliográficas............................... ......................... .................. ........122
  5. 5. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 5 01 - CONSIDERAÇÕES GERAIS 01.1— HISTÓRICO DA SIDERURGIA Provavelmente, o cobre nativo foi o primeiro metal empregado pelo homem na fabricação de utensílios. A obtenção de ferro metálico, provavelmente, veio a ocorrer apenas no período neolítico, quando o carvão usado nas fogueiras protetoras das cavernas habitacionais reduziram o solo de minério de ferro a ferro primário, que, posteriormente, era elaborado e conformado. Certamente, o país que mais se destacou na história da siderurgia foi a Inglaterra. A extração de ferro metálico nesse país remota a 400 AC e a obtenção de ferro gusa em alto forno a coque ocorreu no século XVIII. Por ser abundante e suas ligas possuírem propriedades adaptáveis a quase todas as condições requeridas, logo o ferro se tornou o metal mais empregado. Desde então, a metalurgia passou a se dividir em siderurgia e metalurgia dos não ferrosos. A siderurgia se tornou tão importante que passou a servir de padrão medidor do desenvolvimento das nações. Desde então, são consideradas fortes as nações dotadas de elevadas capacidades de produzir e/ou comercializar produtos siderúrgicos e seus insumos. Logo após a descoberta do Brasil pelos portugueses, ocorreu por aqui enorme procura pelos metais. Em 1554 o Padre Anchieta relatou à Corte Portuguesa a existência de ferro e em 1587 Afonso Sardinha iniciou a produção de ferro na Freguesia de Santo Amaro, 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 ilustre denominar Minas Gerais de peito de ferro das Américas. Apesar de tão grande potencial, Portugal impediu o desenvolvimento da siderurgia brasileira durante o período colonial. Durante o período do Brasil Império, ocorreram algumas iniciativas importantes relacionadas com a produção de metais, porém, não consolidaram. Um fato histórico notável foi a entrada do Brasil na Segunda grande guerra, no bloco dos 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 o governo militar, que construiu e ampliou as grandes usinas siderúrgicas estatais para darem 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 seguir mostraremos algumas figuras que ilustram esse período histórico.
  6. 6. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 6 Fig.1.1 – Tipo de forja Catalã usada por Fernando sardinha em 1587 Fig.1.2 – Perfil de um forno Catalão Fig.1.3 – Forja Catalã acionada por foles manuais, da Idade Média.
  7. 7. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 7 Fig.1.4 – Alto forno de 1640, com acionamento hidráulico. Os fornos eram construídos juntos de barrancos para permitir o carregamento pelo topo por carrinhos de mão. Fig.1.5 – Foto de um alto forno americano do século XVII, com foles acionados por roda d’água. 01.2 - CONCEITOS BÁSICOS METALURGIA: é a arte de extrair do(s) minério(s) o(s) metal(is),elaborá-lo(s) e conformá-lo(s) com o fim de produzir os objetos necessários à humanidade. DIVISÃO DA METALURGIA: A metalurgia pode ser dividida em siderurgia e metalurgia dos não ferrosos. SIDERURGIA: É a metalurgia do ferro e suas ligas. METALURGIA DOS NÃO FERROSOS: É a metalurgia dos outros metais, como do alumínio e suas ligas, do cobre e suas ligas, do ouro, etc. 01.3 - PRINCIPAIS PRODUTOS SIDERÚRGICOS Os produtos siderúrgicos se dividem em duas famílias principais, os aços e os ferros
  8. 8. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 8 fundidos. A melhor maneira de se entender a diferença entre aços e ferros fundios é fazermos uma rápida análise do diagrama ferro-carbono. 01.3.1 - DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO – CARBONO Esse diagrama é geralmente apresentado até 6,7% de carbono, porque este elemento forma 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-Carbono Como pode ser visto no diagrama Fe-C., o ferro puro (isento de carbono), apresenta-se até 912o C sob a forma alotrópica alfa (α) e acima de 912o C até 1354o C no estado alotrópico (γ). Essas formas alotrópicas se caracterizam por possuírem reticulados cristalinos diferentes para os átomos de ferro: o ferro α possui reticulado cúbico de corpo centrado (CCC) e o ferro γ possui reticulado cúbico de face centrada (CFC).
  9. 9. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 9 A fig.1.7 mostra os reticulados cristalinos dos átomos de ferro nas formas alotrópicas CCC e CFC. Observa-se que a estrutura CCC possui somente um átomo de ferro no centro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui átomos de ferro no centro das faces do reticulado. Fig.1.7 – Esquema mostrando as estruturas cristalinas cúbicas de corpo centrado CCC e de face centrada CFC. Nota-se também no diagrama Fe-C que à medida o teor de carbono aumenta até o limite de 0,77%C obtêm-se a estrutura austenitica (Fe γ) a temperaturas cada vez mais baixas até o limite de 727o C. Esta faixa de teor de carbono de 0 a 0,77%C é onde se situa praticamente todos os aços comercialmente utilizados no mundo. Os átomos de carbono ocupam os espaços vazios dos reticulados de átomos de ferro e como pode ser observado na fig.1.6, a fase austenítica (estrutura CFC) tem capacidade para absorver mais carbono do que a fase ferrítica (estrutura CCC). A estrutura CFC devido ao seu formato de empilhamento é muito mais fácil de ser deformado 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 880o C, para em seguida fazer a deformação no laminador. Desta forma, economiza-se energia, equipamentos, tempo, e viabiliza economicamente o produto além de poder conferir boas propriedades mecânicas e metalúrgicas ao aço posteriormente ou durante a laminação. Para se ter uma idéia da facilidade de deformação de um metal com estrutura cristalina CFC, o chumbo é um material que possui esta estrutura na temperatura ambiente e o ferro por outro lado, na temperatura ambiente possui estrutura CCC. Como o aço é um material produzido para ser deformado, ele deve no aquecimento produzir uma estrutura totalmente austenítica, ou seja, deve possuir teor de carbono inferior a 2%, como pode ser visto no diagrama Fe-C. Apesar de na prática, os aços comerciais não ultrapassam a 0,8%. Por outro lado, os ferros fundidos são produzidos já no formato da peça final, portanto não 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 de tipos de aços, podendo-se destacar as seguintes famílias: Aços carbono comuns, Aços micro-ligados, Aços ligados de baixa liga, Aços de alta Estrutura Estrutura CCC CFC
  10. 10. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 10 liga: Inoxidáveis ferríticos, inoxidáveis austeníticos, para ferramentas e matrizes, etc. Os ferros fundidos são produtos siderúrgicos primários, geralmente, produzidos em altos fomos. Teoricamente seu teor de carbono está acima de 2%; contudo, na prática a 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 AÇOS Os aços podem ser classificados com base em diferentes parâmetros, tais como dureza, 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 seus respectivos 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 aços pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Parte da Tabela da ABNT Tipo do aço Classe Aço carbono comum 10XX Aço níquel (3,5%) 23XX Aço Níquel-cromo 3YXX Aço cromo(0,95%)-molibdênio(0,2%) 41XX Aço cromo 51XX Outros Pela ABNT, os dois primeiros dígitos indicam o(s) elemento(s) de liga existente(s) no aço, além do carbono. O número decimal expresso na posição do XX se refere à porcentagem de carbono contido pelo aço. Exemplos: Aço ABNT 1010: aço carbono comum com aprox. 0,1%C. Aço ABNT 1025: 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 dos produtos siderúrgicos, portanto, é necessário tê-las em mão ao proceder a classificação, para evitar o registro de enganos.
  11. 11. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 11 01.5 – IMPORTÂNCIA DOS PRODUTOS SIDERÚRGICOS O êxito alcançado pelos produtos siderúrgicos se deve a vários fatores, dentre os quais citaremos alguns, sem desmerecer os demais. Baixo preço: O preço dos produtos siderúrgicos é insuperável pelos demais que tenham características semelhantes, o que lhes confere elevada competitividade. Exemplos: Lingotes de ferro gusa: U$S 100,00/ton. Placas de aço carbono: U$S 205,00/ton. Chapas de aço carbono: U$S 550,00/ton. Chapas de aço inox. Ferrítico: U$S 2.700/ton. Chapas de aço inox. Austenítico: U$S 6.000,00/ton. Chapas de alumínio: U$S 5.500,00/ton. Chapas de alumínio ligado: U$S 13.500,00/ton. Chapas de cobre: U$S 6.800,00/ton. Propriedades Versáteis: É possível conferir ao produto siderúrgico as propriedades necessárias, sem onerar muito o custo de produção. Exemplos: Um aço ABNT 1080 pode adquirir diferentes durezas pela aplicação de tratamentos térmicos 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 que não oxida e, ainda, pelas adições de cromo e níquel, forma os aços inoxidáveis austeníticos que são passivos à oxidação e a ação de ácidos. Matérias Primas Abundantes: O esgotamento das jazidas de ferro está previsto para quatro 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 de produção e comercialização de produtos siderúrgicos, caso contrário, terá grandes dificuldades 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, as explore e venda seus minérios; pois, seus preços são muito baixos no mercado mundial. É preferível extrair os metais, produzir ligas, conformá-las e, então, vender os produtos obtidos. Os preços dos minérios de ferro e dos produtos siderúrgicos comprovam esse fato. A CST compra anualmente aproximadamente 7.000.000t de sinter feed pelo valor
  12. 12. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 12 estimado de R$210.000.000.00 e pode arrecadar com a exportação de suas placas a quantia de R$1.800.000.000,00. Como se pode deduzir, nesse caso, há uma ampliação de receita acima de R$1.500.000.000,00, além de solucionar parte do problema do desemprego. 01.6 - FLUXOGRAMAS DE USINAS SIDERÚRGICAS Fluxograma é uma representação gráfica que indica o caminho percorrido pelas matérias primas, suas transformações e, finalmente, a entrega dos produtos que se propõe 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 se tomam seus produtos no mercado. Geralmente, são usinas de grande porte, que exigem investimento muito elevado antes de entrarem em operação. Quando não há capital suficiente, uma usina pode iniciar sua produção como usina não integrada e, à medida que vai aumentando seu capital, pode passar a semi-integrada e, finalmente, totalmente integrada. 01.6.1 - FLUXOGRAMA REDUZIDO DE USINAS INTEGRADAS Ling. contínuo, laminação, fundição Matérias Primas Preparação das matérias primas Extração do metal Elaboração Conformação Produto final acabado Sinterização, pelotização, etc Alto-forno, etc Aciaria, refino secundário, etc Perfiz, vergalhões, Tiras, chapas Minérios, carvões, fundentes, etc
  13. 13. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 13 Matérias Primas da Siderurgia: Minérios de ferro, carvão vegetal, carvões minerais, fundentes (calcário, dolomita, etc.), sucatas, Oxigênio, combustíveis, ferro-ligas e outros. Operações de Preparação das Matérias Primas: Britagem, peneiramento, moagem, coqueria, sinterização, pelotização, calcinação, dessulfuração e outros. Extração: A extração do ferro geralmente é feita por fusão redutora em altos fomos a carvão vegetal ou a coque, sob temperaturas muito elevadas, quando os minérios de ferro são transformados em ferro gusa líquido e escória. A extração do ferro também pode 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 matérias primas 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 formas que 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 alto fomo a carvão vegetal, produzindo ferro gusa, que é vendido para fundições e aciarias. ALTO FORNO Minério granuladoCarvão vegetal Fundentes Ar Gusa sólido Gusa líquido vendas Poeiras e gases Escória
  14. 14. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 14 01.6.3 - FLUXOGRAMA DA SIDERÚRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMÉRICA Trata-se de uma usina siderúrgica não integrada que produz perfiz de aço, usando o aço obtido em aciaria a arco elétrico, que utiliza como matérias primas principais sucatas ferrosa, além de ferro gusa, cal, ferro-ligas e outros. 01.6.4 - CICLO OPERACIONAL DA CST Normalmente, uma usina siderúrgica integrada como a CST, é constituída, além do Alto Forno para a produção de ferro gusa, de outras unidades beneficiam as matérias primas básicas utilizadas no processo, unidades que produzem insumos para consumo em outras unidades e unidades que completam o processo, dando como resultado final o aço, constituído elementos acabados ou semi-acabados, como é o caso da CST, que produz placas grossas de aço para utilização em outras usinas de beneficamento e laminados 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 dos materiais necessários à produção de sinter consumido no Alto Forno. Alternativamente à utilização do sinter, pode-se ter o consumo de pelotas capaz de substituir o sinter em parte ou integralmente; • Coqueria que produz o coque para a composição de carga do Alto Forno Sucata OxigênioFundentesGusaFerros-ligas Aciaria Elétrica Escória Poeiras e gases Aço líquido Lingotamento contínuo Lingotes Trefilação Perfiz e vergalhões Laminação
  15. 15. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 15 juntamente com minério de ferro, sinter e/ou pelotas; • A coqueria gera alguns efluentes sólidos, líquidos e gasosos, que são reaproveitados em sua quase totalidade no próprio processo. Um desses efluentes é o COG - gás de coqueria, que é um rico a combustível utilizados em várias unidades da usina, principalmente no Alto Forno; • O processo pode substituir, em parte, o coque por carvão pulverizado, que é injetado na parte inferior do Alto Forno (na região das ventaneiras). Este será o caso do Alto Forno II, que consumirá grande parte de carvão pulverizado que será produzido na unidade de PCI; • Sinterização, que é a unidade de produção do sinter consumido no Alto Forno como é o caso atual da CST. O sinter é produzido na máquina de sinter utilizando minério de ferro bitolado, minério de manganês, fundente constituído de finos de calcário e combustível constituído de finos de coque e o COG, que tem também é utilizado. • Utilidades: sob esta denominação são consideradas várias unidades que produzem insumos complementares para o consumo em outros unidades da usina. Desta forma, tem-se a casa de força para a geração de eletricidade, vapor e ar soprado, onde é utilizado o gás do Alto Forno juntamente com o de coqueria (BFG+COG). Ainda sob denominação de utilidades, tem-se a unidade de fracionamento de ar, que produz oxigênio e nitrogênio utilizados em várias unidades do processo industrial (Alto Forno, Sinterização, Coqueria, Lingotamento, Dentre outras unidades). Estação de tratamento de água (ETA) e recirculação, que promove o reaproveitamento, em circuito fechado, da maior parte da água doce utilizada. Unidade de ar comprimido que alimenta várias unidades com ar, também é utilizado no processo de fracionamento de ar, também utilizado no resfriamento de vários elementos envolvidos no processo industrial; • Calcinação, que utiliza o calcário para produção de cal, consumida na Aciaria e na Sinterização; • Aciaria, que produz o aço a partir do ferro gusa (processo de oxidação em convertedores LD); • Unidade de lingotamento ( contínuo ) que promove a moldagem do produto final (placas) que podem ser enviadas para o cliente ou alimentar a laminação de tiras a quente. • Unidade de Laminação de Tiras a Quente, onde a placa após reaquecimento em forno de placa é encaminhada ao trem de laminação a quente onde sofre a devida conformação, tendo como produto final a bobina de tira a quente, que pode ser utilizado como produto comercial, após passar pela laminação de acabamento ou destinado para o cliente para alimentar o trem de laminação a frio. • Sistema de lavagem e limpeza de gases utilizados nas demais unidades, cujos gases apresentam níveis de contaminação que necessitam ser minimizados antes de serem utilizados no próprio processo (COG e BFG).
  16. 16. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 16 01.7 – FLUXOGRAMA DA CST. Laminação de tiras à quente Sinter feed Carvão mineral Sinterização Coqueria Matérias Voláteis Sinter Coque Minério granulado Pelotas Escória Calcário Alto-Forno Oxigênio Ar Cal Poeiras Gases Gusa líquido Dessulfuração Convertedor Fundição Peças Ferro-ligas Escória Aço líquido Poeiras Gases Sucatas Refino secundário Lingotamento contínuo Placas Tiras Expedição Calcinação
  17. 17. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 17 02 – PROCESSOS DE REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERRO 02.1 – FUNDAMENTOS DA REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERRO 02.1.1 – DIAGRAMA FERRO OXIGÊNIO – Fe - O
  18. 18. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 18
  19. 19. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 19
  20. 20. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 20
  21. 21. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 21 02.1.2 – SISTEMA CARBONO OXIGÊNIO – C – O (curva de Boudouard)
  22. 22. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 22
  23. 23. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 23
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  25. 25. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 25 02.1.4 – ESTUDO COMBINADO DOS SISTEMAS Fe-C-O e C-O
  26. 26. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 26
  27. 27. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 27
  28. 28. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 28 Fig. 2.6 - Ilustrativa que mostra a atmosfera gasosa na redução do minério de ferro dentro de um Alto-Forno, desde a geração do gás nas vestaneiras, até sua saída pelo topo. Relação CO/CO2 do gás de topo Aproximadamente: CO/CO2 = 1 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 8CO2 + 9CO 2Fe3O4 + 2CO = 6FeO + 2CO2 + 6CO2 + 10CO 6FeO + 18CO = 6Fe + 6CO2 + 12CO Atmosfera do forno para a condição mínima de obtenção do ferro a temperatura de aproximadamente 900º C, tirado do sistema Fé-C-O 8CO2 + 10CO = 9CO2 + 9CO = Geração do CO pelas ventaneira
  29. 29. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 29 Observe na figura anterior que para atendermos as condições mínimas de redução para a obtenção do ferro metálico, a quantidade de gás CO não utilizada na reação de redução, ou seja, aquela que formou a atmosfera redutora do forno junto com o CO2 e que aparece nos produtos da reação é mais que suficiente para fornecer o gás CO para todas as outras reações de redução mais acima no Alto forno. Portanto, a reação de redução que se precisa preocupar com relação ao consumo de redutor é a reação de redução da wustita para ferro metálico. Exercício aplicativo: Deseja-se produzir 10.000 toneladas de gusa por dia com 96%Fe e 4%C em um Alto Forno, onde se carrega minério de ferro com 95%Fe2O3, coque e finos de carvão pulverizado com 94%C. Considere que a reação de redução da wustita para ferro metálico ocorre na região cuja a temperatura esta em 900º C. Calcular? a) a quantidade de minério a ser carregada, em toneladas; b) a quantidade total de combustível/redutor a ser carregada,em quilos por tonelada de gusa (fuel rate); c) a quantidade máxima de finos de carvão a ser injetado pelas ventaneiras, em quilos por tonelada de gusa (PCI); d) a quantidade mínima de coque a ser carregada pelo topo, em quilos por tonelada de gusa (coke rate); e) a quantidade de ar soprado pelas ventaneiras, em Nm3 /min. Solução: a) Fe2O3 = 2Fe + 1/2 O2 relação de numero de mol da reação: nFe = 2 nFe2O3 56 96,0*000.000.10 kg nFe = = 171.428,57 Kmol 2 32 Fe OFe n n = = 85.714,29 Kmol PFe2O3 = 85.714,29 x 160 = 13.714.287,71 Kg PFe2O3 = 13.714,29 ton. 95,0 13.714,29 . =MinP ; PMin. = 14.436,09 ton. b) Passo 1 Quantidade de gás CO necessário considerando T = 900º C e utilizando o diagrama do sistema Fe-C-O, temos:
  30. 30. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 30 FeO + 3,12 CO = Fe + CO2 + 2,12 CO Necess COn = 3,12 nFe; Necess COn = 3,12 x 171.428,57 Necess COn = 534.857,14 Kmol Passo 2 Quantidade de gas CO regenerado a T = 900º C, CO2 + C = 2 CO g COnRe = 2 x FeFeO COn − 2 = 2 x Fen ; g COnRe = 342.857,14 Kmol Passo 3 Quantidade de gás CO a ser fornecido pelas ventaneiras descontando o que foi regenerado. 342.857,1534.857,14 −=Forn COn 00,000.192=Forn COn Kmol Passo 4 Quantidade de carbono a ser carregado no Alto Forno Esta quantidade de carbono tem de contemplar todos os consumos de carbono que ocorrem dentro do Alto Forno, que são: a queima do carbono nas ventaneiras, o consumo de carbono pela reação de Boudouard e o carbono que sai no gusa. Gusa C Boud C Queim C Carre C nnnn ++= Quantidade de carbono queimado nas ventaneiras: Reação: 2C + O2 = 2CO Forn CO Queim C nn = ; 00,000.192=Queim Cn Kmol Quantidade de carbono consumido pela reação de Boudouard: CO2 + C = 2 CO Boud Cn = FeFeO COn − 2 = Fen ; Boud Cn = 171.428,57 Kmol Então: 12 04,0*00,000.000.10 171.428,5700,000.192 ++=Carre Cn
  31. 31. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 31 =Carre Cn 396.761,90 Kmol Peso de carbono carregado: 12*396.761,90=Carre CP ; 84,142.761.4=Carre CP Kg Peso de combustível/redutor carregado (fuel rate): 94,0 84,142.761.4 =Carre CombP ; 57,045.065.5=Carre CombP Kg fuel rate = 506,50 Kg/ton. gusa OBS: Resultado bem próximo dos utilizados em Altos Fornos mais modernos. c) Aquantidade máxima de finos de carvão a ser injetado pelas ventaneiras é aquela que fornece todo o carbono da reação para geração do gás CO na zona de combustão, ou seja: 2C + O2 = 2CO Queim C Forn CO Finos C nnn == ; 00,000.192=Finos Cn Kmol Peso de carbono máximo a ser injetado pelas ventaneiras: 12*00,000.192=Finos CP ; 00,000.304.2=Finos CP Kg Peso máximo de finos de carvão a ser injetado pelas ventaneiras: 94,0 00,000.304.2 =Carvão FinosP ; 83,063.451.2=Carvão FinosP Kg Peso de finos de carvão máximo a ser injetado pelas ventaneiras em Kg/ton. Gusa (PCI): PCI = 245,11 Kg/ton. gusa d) A quantidade mínima de coque a ser carregado pelo topo é aquela necessária para realizar a reação de Boudouard, ou seja: CO2 + C = 2 CO Boud C Coque C nn = = 171.428,57 Kmol
  32. 32. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 32 O peso de coque mínimo pode ser obtido da seguinte forma: 94,0 12*171.428,57 =CoqueP ; 83,449.188.2=CoqueP Kg O “coke rate” mínimo que é o peso de coque por tonelada de gusa produzido é: Coke rate = 218,85 Kg/ton. gusa e) a quantidade de ar soprado pelas ventaneiras é obtida pela seguinte equação resultante nas ventaneiras: 2C + O2 = 2CO 2 Forn CO Oxig n n = ; 2 00,000.192 =Oxign Kmol 00,000.96=Oxign Kmol Volume de oxigênio: VO2 = 96.000,00 x 22,4; VO2 = 2.150.400,00 Nm3 Volume de ar soprado pelas ventaneiras, considerando que o ar possui 21% de oxigênio: 21,0 002.150.400, =SoproV ; 00,000.240.10=SoproV Nm3 /dia Volume de sopro em Nm3 /min. : .min60 1 24 1000.240.10 3 h h dia dia Nm VSopro = 11,111.7=SoproV Nm3 /min. Este volume de sopro está bem próximo dos utilizados nos Altos Fornos.
  33. 33. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 33 Fig.-2.7-DiagramadetrocastérmicasdeReichardtparaAltosFornos. 1-TemperaturadaCarga2-TemperaturadoGás3-GraudeOxidaçãodoFerro
  34. 34. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 34 02.1.5 - CINÉTICA DA REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERRO
  35. 35. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 35 Variáveis que afetam a velocidade da reação Gás Redutor Fig. 2.8 – Seção transversal de uma partícula de minério de ferro parcialmente reagida para o modelo topoquímico
  36. 36. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 36
  37. 37. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 37 Gás CO Fig. 2.9 – Seção transversal de uma partícula de minério de ferro parcialmente reagida para o modelo de redução interna uniforme
  38. 38. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 38 - ra = K1.[A].[B]
  39. 39. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 39 Fig. 2.10 – Ilustração do mecanismo da energia de ativação da reações quimicas
  40. 40. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 40 Fig. 2.11 – Influencia da temperatura na constante de velocida K
  41. 41. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 41
  42. 42. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 42 Fig. 2.12 – Esquema do modelo cinético utilizado para as equações de Turkdogan.
  43. 43. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 43 02.2 - PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETA O processo de obtenção do ferro consiste basicamente na redução dos seus óxidos por meio 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 1000o C, onde obtemos o ferro por redução indireta ou por redução direta. Processos de redução direta são aqueles nos quais a redução do minério de ferro a ferro metálico é efetuada sem que ocorra, em nenhuma etapa do processo, a fusão da carga no reator. A redução no estado sólido de minério de ferro por carvão é praticada desde a antigüidade, tendo sido o principal processo de obtenção de ferro até o desenvolvimento 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 à temperatura em torno de 1100o C, a preços relativamente reduzidos se comparado a grandes siderúrgicas. Em geral, o ferro esponja é utilizado em fornos elétricos a arco em substituição à sucata para obtenção do aço, onde a sua característica vantajosa é a sua superioridade em relação à sucata em termos de pureza (elementos de liga contidos na sucata podem dificultar o atendimento à especificação do aço a ser produzido). Os processos de redução direta podem ser divididos conforme o tipo de redutor, em duas classes: redutor sólido (carvão ou coque) ou redutor gasoso (gás natural-CH4 e/ou gases redutores como CO, H2). Reações de reforma ou enriquecimento do gás redutor utilizado para reutilização no reator, normalmente feitos em reatores separados do reator de redução dos minérios. CO2 + C → 2CO H2O + C → H2 + CO CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 CH4 + H2O → CO + 3H2 Reações de redução do minério de ferro no reator de redução. 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 Fe3O4 + H2 → 3FeO + H2O FeO + CO → Fe + CO2 FeO + H2 → Fe + H2O
  44. 44. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 44 Portanto, as reações de redução no estado sólido (temperaturas entre 1000 a 1200o C) normalmente envolvem os gases redutores CO e H2. A reação de carburação do ferro no processode redução direta ocorre da seguinte forma: 3Fe + CO + H2 → Fe3C + H2O 3Fe + CH4 → Fe3C + 2H2 O processo de redução direta é um processo altamente viável em países pouco industrializados, com minérios de alta qualidade, com escassez de sucata e com gás natural em abundância, reduzindo conseqüentemente o emprego do coque que é necessário nos altos fornos, pois este redutor necessita de carvão mineral coqueificável e cujas reservas estão cada vez mais escassas. Principais processos de fabricação de ferro esponja: Processos utilizando retorta HYL HOGANNAS Processos com fornos rotativos KRUPP-RENN SL/RN STEICO-LURGI DORED Processos com leitos fluidizados FERRO.H ESSO-LITTLE NU-IRON HIB-NOVALFER Processos com fornos de cuba WIBERG MIDREX PUROFER ARMCO
  45. 45. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 45 Fig.2.13 – Esquema mostrando os diferentes processos de redução direta.
  46. 46. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 46 02.2.1 - PROCESSO DE REDUÇÃO DIRETA MIDREX Foi desenvolvido pela empresa Norte americana Midland Rose em 1965 Em 1973 tinha 4 plantas de caráter industrial nos U.S.A Ocupa o primeiro lugar em número de unidades operacionais no mundo - Capacidade de produção = 400.000 t/ano PROCESSO Os minérios (pelotas, sinter) são reduzidos num forno de cuba por um gás redutor de composição aproximada de (50% CO e 30%H2) e obtém-se o ferro esponja no estado sólido. O forno Midréx parece um pequeno alto-forno, onde não se chega a produzir fusão do ferro. PRINCIPAIS INSTALAÇÕES: 1- Refornador - onde prepara o gás redutor 2- Forno de Redução - redução e resfriamento do ferro REFORMADOR O gás redutor é obtido ,pela reação do gás natural (CH4) com o gás do topo do forno de redução (H2,CO2 H2O, CO) produzindo praticamennte CO e H2 com auxilio de um catalizador (Ni). O Reformador é uma câmara de aquecimento revestida internamente de refratário. Ele é aquecido pela mistura (ar + gás natural + gás de topo). O forno é atravessado por tubos refratários contendo o catalisador, onde passa a mistura gasosa (gás natural + gás topo).
  47. 47. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 47 Fig.2.14 - Esquema geral de uma instalação Midréx Em alta temperatura (10000 C) ocorre as seguintes reações dentro do tubo: CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 CH4 + H2O = CO + 3H2 A temperatura do reformador é limitada pelos tubos refratários O reformador projetado para reformar misturas gasosas com: 5O% gás natural e 5O% gás de topo COMPOSIÇÃO DOS GASES Gás de topo: 25% CO, 20% C02, 30% H2, e 25%;H2O (antes de ser resfriado 320o C, após 50o C) Gás natural: 90% CH4 e 10% C2 H6) Gás reformado: 36% CO, 5O% H2 e 4% (CH4 + C02) FORNO REDUTOR Diâmetro inferior ≅ 4,8 m Volume interno ≅ 300 m3 Possui duas regiões
  48. 48. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 48 1) Zona de Redução 2) Zona de resfriamento 1) Parte superior - produz a redução do mineral a ≅ 1000o C pela ação do gás redutor 2) Parte inferior, perfil cônico,não revestido de refratário O gás frio é recirculado em circuito fechado Resfria o ferro-esponja para sair à 'T ≅ 35o C para evitar oxidação do ferro O minério (sinter, pelota) é introduzido na parte superior do forno São reduzidos pelo gás reformado ascendente do forno a ≅ 1000o C, a qual entra no meio do forno. Reações: 3 Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O FeO + CO = Fe + CO2 FeO + H2 = Fe + H2O Dois terços do gás do topo é misturado com gás natural e levando ao reformador 1/3 - combustível e 2/3 - gás para reforma Em sua descida o ferro esponja passa pela região de resfriamento onde encontra o gás de resfriamento (20% CO e 40% H2) O ferro esponja sai do forno à ≅ 35o C O processo é continuo O processo de obtenção do ferro esponja dura aproximadamente 6,0 horas.
  49. 49. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 49 02.2.2 - PROCESSO MIDREX-FASTMET 02.2.2.1 Introdução O processo Midrex FASTMET converte finos de óxido de ferro e carvão pulverizado, em ferro de redução direta (Direct Reduction Iron - DRI) a quente, adequado para a produção de ferro gusa ou aço dependendo da aplicação específica. A Midrex realizou estudos extensivos no sentido de se criar um novo processo de redução direta, que viesse a ter determinadas características como um baixo custo de capital para plantas com capacidade de produção de 0,1 a 0,5 milhões de toneladas de ferro por ano, uso de finos de minério de ferro e carvão pulverizado, baixo consumo de eletricidade, flexibilidade operacional e também um baixo impacto ambienta!.. Baseado nos estudos feitos, uma nova tecnologia foi desenvolvida: o processo FASTMET, cujo ponto principal é a existência de um fomo de soleira rotativa, similar àqueles convencionalmente usados nas indústrias de ferro e aço para aquecimento de billets e tubos. 02.2.2.2 Descrição do Processo No processo FASTMET, conforme pode ser visto na figura 2.15, concentrado de minério de ferro, carvão pulverizado e ligantes seguem dos silos de armazenamento a um misturador, e a mistura é alimentada a um disco de pelotização. As pelotas verdes resultantes são alimentadas a um secador e depois a um fomo de soleira rotativa, ou então seguem direto para o fomo, sendo alocadas no cadinho em camadas uniformes. Fig. 2.15 – Fluxograma do processo Medres-FASTMET (Assis, P.S. 1995)
  50. 50. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 50 Com a rotação do cadinho, as pelotas são aquecidas a uma faixa de 1250 a 1350 °C, e o óxido de ferro é reduzido. A redução é efetuada através do contato íntimo do carbono contido internamente às pelotas com o óxido de ferro, em um ambiente que se encontra a altas temperaturas. O ar de combustão é insuflado quente pelos queimadores, que se situam acima do cadinho ao longo de todo o fomo. Uma visão da seção transversal e plana do fomo de soleira rotativa pode ser vista na figura 2.16. Fig.2.16 – Seção transversal da planta do forno de soleira rotativa (Assis, P.S. 1995) O tempo de residência no cadinho varia de 6 a 10 minutos, dependendo do tipo de material que está sendo processado e também do número de camadas de pelotas. Durante este tempo, 90 a 95% do óxido de ferro é convertido a DRI que é continuamente descarregado a uma linha de receptáculos refratários para transferência de calor e formação de DRI quente, ou segue para tambores de resfriamento rotativos para formar DRl frio, ou então para máquinas de briquetagem nas quais será produzido ferro briquetado a quente (HBI). Os gases gerados pela redução das pelotas após passarem por um duto condicionador, aquecem o ar de combustão em um trocador de calor. Em seguida, entram em um lavador de gás e logo após, alimentam urna chaminé de exaustão. 02.2.2.3 Flexibilidade de Matérias-Primas e Energia Uma larga faixa de hematitas, magnetitas, ilmenitas têm sido testadas em laboratório e encontrados como sendo geralmente adequados para o processo FASTMET. No caso de hematitas ou de concentrados muito finos é necessário incluir um secador no tlowsheet. Se o minério é grosso, um circuito de secagem é requerido. Em todos os
  51. 51. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 51 casos, o conteúdo de ganga deve ser tão baixo quanto possível para minimizar os custos de fusão. O processo aceita finos de óxido de ferro com tamanho na faixa de pellet feed (80% das partículas com granulometria abaixo de 325 mesh). No processo FASTMET a perda de materiais de baixa granulometria é muito pequena, porque os finos e os pós da planta podem ser reciclados, resultando, portanto, em altos rendimentos. Isto pode ser considerado como uma vantagem sobre os demais processos de redução direta (incluindo os que utilizam leitos fluidizados) que requerem minérios de granulometria controlada, visto que estes não possuem muita flexibilidade na reciclagem de finos. Muitos carvões, coques e "chars" tendo menos do que 20% de cinzas e um teor mínimo de 50% de carbono fixo, podem ser usados como redutores se um secador for incluído no flowsheet. O conteúdo de enxofre no redutor deve ser menor que 1 % para que se possa alcançar uma sobretaxa de dessulfurização. O calor requerido pelo forno de soleira rotativa do processo FASTMET é suprido pelos queimadores. Os combustíveis adequados para os queimadores são carvão pulverizado, gás natural, propano e óleo combustível. O carvão pulverizado como combustível dos queimadores deve ter urna granulometria de 200 mesh (de 70 a 80% das partículas). O conteúdo de voláteis deve ser no mínimo 30%, e o teor de cinzas deve ser menor que 20%. 02.2.2.4 Fatores Econômicos No processo FASTMET, os custos relacionados ao minério de ferro são mínimos, devido à utilização de finos, o que representa uma economia em torno de 25 a 30 US$ por tonelada de ferro produzido. Altos rendimentos podem ser alcançados porque os tinos e os pós gerados durante o processamento, podem ser reciclados. Os custos de energia podem ser minimizados no processo FASTMET devido à utilização de carvão disponível, no lugar de coque, gas natural, óleo combustível ou eletricidade. O consumo de energia é otimizado por utilização de carvão pulverizado, uma mistura íntima de carvão pulverizado com minério de ferro em pelotas e a queima direta de combustível utilizando-se ar pré-aquecido com calor sensível dos gases de exaustão. O carregamento de DRI a quente no forno de fusão pode salvar um adicional de 15 a 25 US$/t em energia, eletrodos e custos de refratários. Os parâmetros típicos de operação de processo F ASTMET para os custos de produção estimados são mostrados na tabela VI (22). Os números mostrados são cálculos termoquímicos e não representam necessáriamente os valores que serão obtidos industrialmente.
  52. 52. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 52 As principais vantagens que o processo FASTMET oferece podem ser sumarizadas conforme segue: Potencialmente o método de baixo custo de produção de DRI na América do Norte. Combina equipamentos convencionais em um sistema prático. Utiliza finos de óxido de ferro disponíveis "domesticamente". Utiliza carvão pulverizado como redutor. Permite um rápido aiuste do processo devido a uma taxa de redução muito rápida. Pode ser instalado em plantas com capacidade acima de 450 mil tonelada por ano. Uma economia de 20 a 30% nos custos de capital pode ser obtida com os equipamentos utilizados. Baixo impacto ambiental e ótimo para reciclagem de rejeitos industriais. 02.2.3 - PROCESSO HyL Desenvolvido em 1953, México pela Hojolata Y.Lamina. É aplicável em Países que dispunham de metano (CH4) a baixo preço e minério de alta qualidade. Pois a ganga não pode ser escorificada. É um processo descontinuo(4 retortas)) Os minérios são reduzidos pelo gás redutor obtido de gás natural reformado com excesso de H2O. Em 1955 foi o Inicio de funcionamento da primeira instalação. Em 1957 produção de 200ton./dia, 1960 – 500ton./dia. 1970 - Inicio de utilização de pelotas (9 a 15mm). De todos os processos atuais de fabricação de ferro esponja o HyL é o que leva mais anos fabricando grandes qualidades. É o processo que produziu de maior quantidade de ferro esponja no mundo DESCRIÇÃO DO PROCESSO Minério de ferro ou pelotas é reduzido a ferro esponja por um gás redutor - 16% CO, 72% H2. A redução se realiza com 4 reatores fixos R1,R2, R3 e R4 com capacidade 100 ton. cada, como pode ser visto na fig.4.8 O carregamento é feito na parte superior.
  53. 53. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 53 Os gases redutores atravessam a carga de cima para baixo, e cada reator funciona independente dos demais. O gás redutor é preparado num único forno de reforma. O gás natural mais vapor passa por tubos inoxidáveis contendo catalisadores de níquel. Os tubos são aquecidos externamente a aproximadamente 800o C. Reação: CH4 + H2O = CO + 3H2 16% CO 3% CH4 N2 = O 3% Gás redutor - 72% H2 8% C02 O gás reformado passa sucessivamente por 3 reatores em série, em cada um dos reatores o gás efetua distintas operações de redução. Na saida do terceiro reator o gás é utilizado como combustível em operações auxiliares, veja fig.4.9. Fig.2.17 - Esquema geral de uma instalação HyL para fabricar ferro esponja
  54. 54. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 54 Fig.2.18 - Percurso do gás redutor no processo Hyl PERCURSO DOS GASES NO PROCESSO HyL 1a ETAPA - RESFRIAMENTO DA CARGA O gás reformado ao sair do reator de reforma troca calor com uma caldeira para produzir vapor. Em seguida passa num resfriador para condensar o vapor d'água. Depois .de frio, o gás se destina ao reator que esta em resfriamento do ferro-esponja quente. O gás resfria o ferro esponja e se pré-aquece. Devido a alguma pré-redução, o gás absorve água. Então o gás passa num resfriador para condensar a água. 2a ETAPA - REDUÇÃO PRINCIPAL O gás passa por um pré-aquecedor tubular (aquecido com gás combustível saído do terceiro reator). A temperatura do gás aumenta para 800o C. O gás entra numa câmara de combustão parcial controlada (gás redutor + AR) e a temperatura sobe para 1050o C. Em seguida o gás entra no reator em que o material sofreu redução secundária e está quente. Após o gás realiza a redução principal, ou seja: Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O FeO + CO = Fe + CO2 FeO + H2 = Fe + H2O
  55. 55. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 55 O gás sai com mais CO2 e H2O e passa num resfriador p/ condensar H2O. 3a ETAPA - REDUÇÃO SECUNDÁRIA O gás é novamente pré-aquecido no pré-aquecedor e posteriormente na câmara de combustão até T ≅ 1050o C. Em seguida, o gás entra no reator que foi recentemente carregado para fazer a redução secundária e pré-aquecer a carga. Posteriormente o gás passa num resfriador para condensar H2O. O gás é então utilizado como combustível nos fornos de pré-aquecimento e de reforma do gás. Composição química dos gases envolvidos no processo: H2 - 30% CO2 - 22%Gás Combustível ( após feita a redução secundária) CO - 16% N2 - 32% H2 - 72% CO2 - 8% CH4 - 3%Gás Reformado CO - 16% N2 - 0,3% H2 - 63% CO2 - 10% CH4 - 2%Gás da redução principal (gás que entra na redução principal) CO - 17% N2 - 8% Composição típica de um ferro esponja: FeTotal 90 -97% FeMetálico 82 - 93% C 0,25 - 0,9% S 0,01% P 0,01% Ganga 2 - 6%
  56. 56. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 56 Fig.2.19 - Percurso do gás redutor nas unidades do processo Hyl Tabela mostrando o ciclo operatório do procedimento HYL Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 Reator 1 Redução Secundária Redução Principal Resfriamento Carga e Descarga Reator 2 Carga e Descarga Redução Secundárl.a Redução Principal Resfriamento Reator 3 Resfriamento Carga e Descarga Redução Secundária Redução Principal Reator 4 Redução Principal Resfriamento Carga e Descarga Redução Secundária
  57. 57. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 57 02.3 - PROCESSOS DE REDUÇÃO INDIRETA O ferro é com certeza o mais versátil dos metais, cuja gama de aplicações estende-se aos próprios limites da imaginação. Em diversas aplicações de diversos materiais, sempre é possível encontrar uma liga que tenha como base o ferro. Dessa maneira a produção do aço em larga escala tornou-se uma necessidade mundial, notadamente no pós-guerra como o desenvolvimento industrial do mundo. O desenvolvimento das aplicações ou das qualidades dos diversos tipos de aço ou ligas de ferro em larga escala só foi possível graças a abundância do minério de ferro, sendo na maior parte na forma de óxidos. Por coincidência o minério de ferro pode ser reduzido num redutor extremamente abundante que é o carvão. Desta forma, passou-se então a desenvolver métodos e máquinas que associassem a esses três elementos: - Abundância de minério; - Abundância de carvões; - Abundância de aplicações; Resultando um processo chamado "Alto Forno" onde utiliza-se como fonte de calor e redutor o coque ou carvão vegetal e num outro chamado “Baixo Forno” ou forno elétrico de redução, que utiliza como fonte de calor a energia elétrica e como redutor o coque ou carvão vegetal. 02.3.1 – FORNO ELÉTRICO DE REDUÇÃO/BAIXO FORNO O forno elétrico de redução é o método de obtenção do gusa de maior importância depois do alto-forno. É utilizado onde o minério é de alta pureza e a energia elétrica é barata. Enquanto num alto forno o coque funciona como fonte de calor e redutor, no baixo forno o mesmo age apenas como redutor pois a fonte de calor é a energia elétrica. CARACTERÍSTICAS DO BAIXO FORNO O forno consiste numa câmara de fusão com três ou mais eletrodos passando através da abóbada, colocados, seja por linha ou em triângulo. (fig.4.11. e 4.12.) Perto da periferia da abóboda, estão os tubos de carregamento (geralmente seis), posicionados de cada lado dos eletrodos. ELETRODOS Sâo de carbono amorfo ou auto aglomerantes, a massa dos eletrodos é geralmente constituida de 25%piche, 25% coque e 50% carvão. O seu consumo é da ordem de 20 a 30 Kg/ton. quando se opera com carga de sinter e minério, respectivamente.
  58. 58. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 58 REFRATÁRIO Os fornos são revestidos com blocos de carbono até a linha de escória. Entre a carcaça metálica e os blocos de carbono utiliza-se uma 'parede protetora de tijolos, sílico-aluminosos. Na abóbada do forno utiliza-se massa refratária de modo a resistir até 12000 C e são sustentados por uma armação em anel, onde em seu interior circula água para refrigeraçao. CARCAÇA A tampa do forno possui as aberturas indispensáveis a passagem dos eletrodos, dos tubos de carregamento e de saida dos gases, além de portas de visita (man holes) que servem para observar o seu interior. TRANSFORMADORES Os transformadores são geralmente monofásicos e baixam a tensão da rede para 127 e 220 V, necessárias para o funcionmanento do forno. A ligação dos transformadores aos eletrodos é feita de tubos e barras de cobre. As placas de contato com o eletrodo são de cobre e refrigeradas à água. A altura dos eletrodos em relação à carga é controlada automaticamente, sobem quando a corrente é muito forte e baixa quando é muita fraca. CARREGAMENTO (FORNO TYSLAND-HOLE) A carga do forno, minério de ferro ou sinter, coque ou car vão vegetal e fundentes, são colocados em silos. Em seguida são introduzidos no forno por meio de tubos de alimentação (fig. 4.11.) As reações de redução do minério são as seguintes: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4+ CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe+ CO2 CO2 + C = 2CO SiO2 + 2FeO = 2FeO.SiO2 2MnO + SiO2 = 2MnO.SiO2 __ESCÓRIA 2CaO + SiO2 = 2CaO.SiO2 H2O +C = CO + H2
  59. 59. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 59 O gás produzido nas reações possui aproximadamente 70-85%CO e 10-20% H2. Portanto alto poder calorlfico 2500 Kcal/Nm3 , e um volume de 600 a 650 Nm3 /t. gusa. O forno Tysland - Hole produz normalmente 100 toneladas de gusa por dia e o seu consumo de energia é em torno de 2500 - 3000 Kwh/ton.e de coque 500 Kg/t.gusa. BAIXO FORNO STRATEGIC-UDY Este processo é desenvolvimento do processo Tysland-Hole. fig.4.12. O minério de ferro é incialmente parcialmente reduzido em um forno rotativo. Em seguida o material é carregado num forno elétrico arco submerso onde se completa a sua redução e se funde o gusa. 2) Fundações; 3) Elétrodos Soderberg; 4) Silos de alimentação da carga 5) Tubos de alimentação; 8) Transformador monofásico; 9) Calha de vasamento; e 12) Silos de minério e fundentes. Fig.2.20 - Seção através de um forno elétrico de redução (Tysland-Hole): Uma fração importante do calor para o pré-aquecimento é pré-redução do minério no forno rotativo é fornecido pela combustão do CO, proveniente do forno elétrico. A mistura de minério de ferro fundentes e redutor sólido são carregados continuamente no forno rotativo. No forno rotativo o minério é aquecido e pré-reduzido e o fundente é calcinado.
  60. 60. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 60 Os materiais saem do forno rotativo nas temperaturas de 980-1250o C. O carvão é adicionado em quantidades suficientes para realizar a redução no forno rotativo e elétrico. O carvão não utilizado no forno rotativo vai juntamente com o minério pré- reduzido e o fundente para o forno elétrico. Para economizar energia térmica e elétrica, o material quente, que sai do forno rotativo é carregado diretamente na zona de fusão do forno elétrico. Este tipo de carrrgamento pode-se utilizar finos sem interferência com a operação. O gás proveniente das reações no forno elétrico é queimado no forno rotativo fornecendo grande parte do calor necessário ao mesmo. VANTAGENS DO PROCESSO STRATEGIC-UDY Não é necessário preparação mecânica alguma do minério, pode-se utilizar finos abaixo de 10 mm. Pode-se usar qualquer tipo de carvão (antracito, betuminoso, lignito) ou coque como redutor. O consumo de carvão é da ordem de 450 Kg/t. e a energia elétrica de 1100 Kwh/'t. 1) Carregamento do minério e dos fundentes; 2) Alimentadores de combustível em quatro pontos, ao longo do comprimento; 3) Entrada de ar para controle da combustão; 4) Alimentação de combustível; 5) Carro balança; 6) Elevador da carga; 7) Ponte de carga do forno elétrico; 8) tubos de carregamento; 9) forno elétrico de redução; 10) Eletrodos Soederberg; 11) Panela de vasamento; 12) Retirada do gás 'Fig. 2.21 - Representação esquemática do forno Strategic-Udy:
  61. 61. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 61 02.3.2 - PROCESSO TECNORED O processo Tecnored desponta como uma nova alternativa tecnológica para a produção de ferro gusa a partir de matérias-primas e insumos de baixo custo. O processo se baseia na redução e fusão de pelotas auto-redutoras de cura a frio em um forno de geometria especial, o forno de alta redução (FAR), resultando na obtenção do gusa com custos operacionais e de investimento inferiores aos dos processos tradicionais. As pelotas empregadas no processo são produzidas a partir de uma mistura de finos de minério de ferro, redutores como, por exemplo, finos de carvão mineral, finos de carvão vegetal, biomassa ou finos de coque, e também cal hidratada como agente ligante e fluxante. Toda essa mistura é aglomerada em discos de pelotização tradicionais e as pelotas obtidas são curadas em pátios abertos durante um período de 28 dias. Uma característica importante e inerente ao processo é a formação de uma atmosfera redutora dentro das pelotas, figura 2.22, que resulta em elevadas taxas de redução e impede are-oxidação. 02.3.2.1 - Descrição do Processo O forno FAR, descrito nas figuras 2.23 e 2.24, dispõe de dutos laterais para alimentação de combustíveis sólidos, uma cuba central através da qual são carregadas as pelotas e por onde passa todo o fluxo gasoso em contracorrente, e também ventaneiras refrigeradas à água para sopro de ar quente na parte inferior do forno (ventaneiras primárias), e ventaneiras para sopro de ar frio na base da parte superior (ventaneiras secundárias). O forno é constituído basicamente de três partes distintas: Cuba superior - parte do forno que está compreendida entre o nível de Fig. 2.22 - Mecanismo de redução de uma pelota auto-redutora utilizada no processo FAR/Tecnored (Assis,P.S. 1995).
  62. 62. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 62 carregamento das pelotas e as ventaneiras secundárias. Zona de fusão - parte do forno que está compreendida entre as ventaneiras secundárias e o topo do leito de combustível. Cuba inferior - parte do forno que está compreendida entre o topo do leito de combustíveis e as bicas de vazamento do metal. 02.3.2.1 - Cuba Superior Nesta região do forno, as pelotas são pré-aquecidas e ocorre a redução do minério. A forma pela qual a pelota é reduzida é que lhe confere a característica de ser auto- redutora, ou seja, nas partículas de carvão da pelota ocorre a queima do carbono com o CO2, proveniente da queima do CO com o ar frio das ventaneiras secundárias. O CO é gerado pela queima dos combustíveis sólidos alimentados pelos dutos laterais com o oxigênio quente sopro pelas ventaneiras primárias, gerando juntamente com os gases quentes das zonas inferiores a energia necessária o pré-aquecimento e redução das pelotas. Uma das principais características do forno FAR é a inexistência da reação endotérmica de Boudouard: CO2 + C = 2 CO, a não ser no interior das pelotas, uma vez que não existem combustíveis sólidos na cuba superior. Este importante fato resulta em uma elevada eficiência térmica do processo e também em uma redução no consumo de combustível. 02.3.2.2 - Zona de Fusão Nesta região ocorrem a fusão das pelotas reduzidas, a redução dos óxidos de ferro residuais e também o início da carburação do ferro gusa. A energia necessária para o processo nesta zona é fornecida pelos gases quentes provenientes do leito de combustíveis sólidos. 5.4.2.1.3 Cuba Inferior Na parte inferior do forno FAR ocorrem o super-aquecimento do metal e da escória até as temperaturas de vazamento e, além disso, ocorre também a carburação final do ferro gusa, a redução final dos óxidos residuais, a remoção do enxofre pela escória e a redução e incorporação do silício ao banho metálico. A energia necessária para o processo nesta região é proveniente da queima dos combustíveis sólidos pelo sopro de ar quente das ventaneiras primárias.
  63. 63. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 63 Fig.2.23 – Esquema da concepção do processo Tecnored (Costa, P. H. C.,2001) Fig.2.24 – Esquema da concepção do processo Tecnored (Noldin, J. H., 2005)
  64. 64. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 64 02.3.2.5 - Vantagens do processo Abaixo se encontram relacionadas algumas das principais vantagens do processo Tecnored em relação aos processos tradicionais e também em relação a outros processos alternativos: Adaptação a insumos diversos de baixo custo: utilização de finos de minério de ferro de baixo teor (60 a 64 % de Fe); redutores, aglomerantes e combustíveis sólidos de baixo custo; reaproveitamento total de finos e poeiras. Pelotização de baixos custos de investimento: cura das pelotas a frio em pátios abertos; moagem dos finos de carvão a apenas 140 mesh; não é necessária a queima das pelotas. As pelotas verdes apresentam uma resistência suficiente para o manuseio a granel. Forno FAR possui alta produtividade e alta eficiência energética: tempo de residência de 30 a 40 minutos (alto:.forno 6 a 8. horas); inexistência da reação de Boudouard na cuba superior do forno; queima do CO com o ar frio para pré- aquecer e reduzir as pelotas; baixo consumo elétrico devido à baixa pressão de sopro e baixa altura de elevação da carga; ar soprado quase frio; gás de topo de baixo custo disponível. Forno de baixo investimento: cuba simples; periféricos clássicos para aquecimento, injeção, limpeza, etc, possibilitando a conversão de altos-fornos existentes; volume útil reduzido devido à elevada produtividade; sistema de dosagem de carga dispensável; sistema de automação e controle são simples. Ausência de emissões e efluentesperigosos. 02.3.2.6 Conclusões e Perspectivas o processo Tecnored vem a ser uma alternativa promissora para a produção de ferro gusa, devido as vantagens que apresenta em relação aos processos tradicionais como a adaptação a insumos de baixo custo, o processo de pelotização tradicional, além da alta produtividade, eficiência energética e baixo custo operacional e de investimento. Contudo, tem um grande problema de apresentar desempenho satisfatório somente quando se trabalha com matérias-primas preparadas (coque e pelotas) e baixas produções, devendo ficar restritas à aplicações especiais como em países tropicais devido à cura a frio das pelotas. Estas limitações podem ser amenizados com a cura por aquecimento e uso de carvões antracitos e coque de petróleo.
  65. 65. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 65 Fig.2.25 – Esquema que mostra como é feito a expansão dos fornos Tecnored (Noldin, J. H., 2005).
  66. 66. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 66 02.3.3 – ALTO FORNO O alto forno é um tipo de forno de cuba empregado na produção de ferro gusa, pela fusão redutora de minérios de ferro em presença de carvão vegetal ou coque e fundente, os quais são carregados no topo e, na descida, são transformados pela ação dos gases ascendentes, provenientes da combustão do carvão com o oxigênio soprado pelas ventaneiras, obtendo-se escória e ferro gusa líquidos pelo cadinho e poeiras e gases no topo. Fig.2.26 – Esquema mostrando um alto forno e seus principais equipamentos periféricos, como os regeneradores, ventoinhas, sistema de coleta de gases, casa de corrida, correia transportadora principal e carro torpedo. 02.3.3.1 - FERRO GUSA E SUBPRODUTOS Em um Alto Forno, o ferro gusa é o principal produto e o gás de topo, pó e escória, são recuperados como subprodutos. 1 - Ferro Gusa O ferro gusa pode ser diferentemente classificado de acordo com a matéria prima usada, constituintes e utilização. Geralmente é dividido em gusa para aciaria, gusa para fundição e gusa para ligas. Na utilização para aciaria o gusa usado é proveniente da mesma usina, desta forma, normas internas são feitas para controlar a composição química do mesmo.
  67. 67. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 67 Fig.2.27 – Vista aérea mostrando um alto forno e seus principais equipamentos periféricos, como os regeneradores, sistema de coleta de gases, casa de corrida e correia transportadora principal. 2 - Sub Produtos a) Gás de Alto Forno O gás de Alto Forno contém de 21 a 25% de CO, 18 a 22% de CO2, 2 a 5% de H2 possuindo 700 a 800 kcal/Nm³ de poder calorífico e por isso ele é recuperado e usado como combustível. O gás é limpo (no sistema de limpeza de gases), colocado em uso para diversos fins, tanto "puro" como em mistura com gás de coqueria ou com gás de convertedor. b) Pó de Alto Forno O pó recolhido no sistema de limpeza de gases, é formado pelo pó recolhido no balão de pó (dust catcher) e pelo pó úmido recolhido nos "Venturi scrubber" e/ou precipitadores elétrostáticos. A composição de pó varia de acordo com a matéria prima usada, porém, aproximadamente é composto por 25 a 40% de Ferro; 40 a 45% de C; 5 a 7% de SiO2 e 2 a 4% de CaO.
  68. 68. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 68 c) Escória de Alto Forno A quantidade de escória produzida é normalmente 250 a 340 kg/t de gusa. A escória de Alto Forno era descartada, porém agora ela é um subproduto se apresentando na forma de escória bruta (aterros) e escória granulada (usada na fabricação de cimento). 02.3.3.2 - CORPO PRINCIPAL DO ALTO FORNO O alto forno pode ser construído com chaparia de aço extradoce, protegida internamente com uma grossa camada de refratários dotados de camisas de refrigeração a água. Historicamente, o corpo principal do alto forno se divide em goela, cuba, ventre, rampa e cadinho, ou seja: 1. TOPO: É a parte superior do Alto Forno onde localizam-se os dispositivos de carregamento (cone grande, cone pequeno, bleeders, correia transportadora, etc.) 2. GOELA OU GARGANTA situa-se logo abaixo do cone grande, possui várias fieiras de placas de desgaste feitas em aço ou ferro fundido para proteger os refratários do impacto e da abrasão da carga ao ser aberto o cone grande. 3. CUBA Região logo abaixo da goela, os materiais carregados ainda estão no estado granular. 4. RAMPA É a região onde os refratários estão submetidos aos ataques mais severos, devido à ação do calor, pressão e ação da escória. Esta região é refrigerada externamente, podendo-se inserir entre os refratários varias placas de refrigeração ou staves. 5. VENTRE É a parte de maior diâmetro do Alto forno e região de alta temperatura. 6. CADINHO Região que contém o gusa e a escória. O diâmetro interno do cadinho mais o volume interno do forno são utilizados para representar o tamanho do forno.
  69. 69. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 69 02.3.3.3 – ASPÉCTOS INTERNOS DO ALTO FORNO 1. Zona Granular É a região onde o minério e coque descem como carga sólida, ela engloba a zona de reserva térmica e química. Inicialmente, o mineral de hematita (Fe2O3) é reduzido a magnetita (Fe3O4) pela ação do gás reduto CO logo após o carregamento no topo. Durante a descida de carga, ainda na cuba a magnetita continua reagindo com o CO formando então o óxido de ferro wustita (FeO). Finalmente, por volta de 1000o C, logo no início da zona coesiva ou zona de amolecimento e fusão, a wustita reduz a ferro metálico. Esta região utiliza a carga térmica e o potencial redutor dos gases provenientes das regiões inferiores. Portanto, as reações de redução são feitas sem consumo de carbono. A temperatura nesta região varia de 200 a 1000o C. REAÇÕES: Para temperaturas entre 200 a 950o C, ocorre preaquecimento da carga e secagem e redução indireta dos minérios, ou seja: 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 ΔH = - 10,33 Kcal/mol Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 ΔH = + 8,75 Kcal/mol Para temperaturas à 900o C ocorre a calcinação do calcário e as seguintes reações: CaCO3 → CaO + CO2 ΔH = + 43,35 Kcal/mol CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = - 9,68 Kcal/mol 2CO → CO2 + C ΔH = - 41,21 Kcal/mol Para temperaturas entre 950o e 1000o C situa-se a zona de reserva térmica e química, e a seguinte reação está em equilíbrio termodinâmico. FeO + CO → Fe + CO2 ΔH = - 3,99 Kcal/mol
  70. 70. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 70 Fig.2.28 – Perfil de um alto forno em corte vertical, mostrando as partes externas e as zonas internas. 2. Zona Coesiva ou Zona de Amolecimento e Fusão (1000 a 1450o C). Nesta região os minérios amolecem e fundem, a camada de coque permanece sólida permitindo o escoamento do fluxo gasoso para as partes superiores (cuba) do alto forno (janelas de coque). Aparece a formação de ferro metálico e escória primária líquida com baixo ponto de fusão (1300o C) e com alto teor de FeO, até 40%. Nesta região ocorre a reação de Boudouard (CO2 + C → 2CO ) altamente endotérmica. Portanto, redução do óxido de ferro nesta região implica em aumento de consumo de carbono e calor. Reações: CaCO3 → CaO + CO2 ΔH = + 43,35Kcal/mol A redução direta que ocorre nesta região é resultado da soma das seguintes reações: FeO + CO → Fe + CO2 ΔH = - 3,99 Kcal/mol CO2 + C → 2 CO ΔH = + 41,21 Kcal/mol FeO + C→ Fe + CO ΔH = + 37,22 Kcal/mol
  71. 71. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 71 Formação da escória primária: SIO2 + 2FeO → 2FeO.SiO2 Al2O3 + FeO → FeO.Al2O3 SiO2 + MnO → MnO.SiO2 SiO2 + 2CaO → 2CaO.SiO2 A composição da escória primária é a seguinte: SIO2 AL2O3 CaO MgO FeO MnO 25,6% 8,5% 27,9% 3,2% 25,4% 8,88% Esta região é a que oferece a maior resistência à passagem dos gases redutores, sendo responsável por cerca de 50% da perda de pressão. Fig.2.29 – Esquema da distribuição de carga dentro da zona de amolecimento e fusão (zona coesiva) em um alto forno.
  72. 72. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 72 Fig.2.30 - Formação da estrutura da camada coesiva do Alto Forno (Hiroata no 1) Fig.2.31 Diagrama de fase do sistema FeO-SiO2 em contato com o ferro metálico, mostrando um eutético de baixo ponto de fusão (1200º C) onde inicia a formação da escória pimária na zona coesiva do Alto Forno.
  73. 73. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 73 Fig.2.32-EfeitodadistribuiçãodarelaçãoMinério/Coque(M/C)nocarregamentodoAltoForno,no perfildazonadeamolecimento.
  74. 74. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 74 Fig.2.33–DistribuiçãodascamadasdeamolecimentoefusãodeAltoFornosJaponesesdissecadosnadécadade70.
  75. 75. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 75 3. Zona de Gotejamento (1400o C a 1800o C) O metal e a escória líquidos descem sob um leito poroso de coque em contra corrente com o gás redutor. Nesta região ocorre a redução das impurezas do minério e parte do FeO contido na escória (redução rápida do FeO da escoria para teores de 5%) e a formação da escória secundaria com dissolução do CaO. Reações: FeO(l) + CO → Fe(l) + CO2 CO2 + C → 2CO P2O5 + 5CO → 2P + 5CO2 P2O5 + 5C → 2P + 5CO SiO2 + 2C → Si + 2CO FeS + CaO + C → CaS + CO + Fe FeS + MnO + C → MnS + Fe + CO MnS + CaO + C → Mn + CaS + CO 4. Zona de Combustão (2000o C). O ar quente soprado pelas ventaneiras, na parte superior do cadinho, faz o coque entrar em combustão elevando a temperatura acima de 1900°C na zona de combustão e os gases resultantes sobem aquecendo toda a carga. Reações: C + O2 .→ CO2 e mais calor Em presença de muito carbono (atmosfera redutora) e em temperaturas acima de 1000o C o gás CO2 resultante da combustão do coque com o ar, reage com o carbono formando o gás redutor CO. CO2 + C → 2CO O CO em ascenção é o principal agente redutor do minério de ferro. Ocorre também a formação da escória final com a dissolução da cal que não foi incorporada na rampa e a absorção de cinza do coque (SiO2)
  76. 76. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 76 Fig.2.34 – Esquema de uma seção vertical em frente a uma ventaneira de alto forno. 5. Zona do cadinho: Nesta região, o gusa e a escória líquidos e o coque se acumulam num recipiente refratário. O cadinho também contém um ou mais furos de gusa, por onde ocorre o esgotamento do mesmo para a casa de corrida.
  77. 77. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 77 Fig.2.35 Distribuição das isotermas dentro de um Alto Forno Fig.2.36 Perfis da zona de amolecimento e fusão no Alto Forno
  78. 78. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 78 02.3.3.4 - O ALTO FORNO IDEAL: Fig.2.37 – Esquema de um Alto-Forno a coque operando idealmente
  79. 79. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 79 02.3.3.5 - ELABORAÇÃO DA ESCÓRIA DE UM ALTO FORNO
  80. 80. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 80 Fig.2.38-
  81. 81. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 81 02.2.3.6 - PERIFÉRICOS DO ALTO FORNO 1 - SISTEMA DE CARREGAMENTO: Os pequenos altos fornos são alimentados com carga sólida por meio de skipers e os grandes por meio de correias transportadoras. Estando no topo, a carga pode ser introduzida no alto fomo através de sistema de cones ou por calha giratória. 2 – EQUIPAMENTOS DE OPERAÇÃO PARA PRESSURIZAÇÃO DO TOPO: Estes equipamentos possuem a função de manter o topo do alto forno pressurizado, entre 1,5 e 2,5kgf/cm2 , para reduzir a perda de carga entre o topo e as ventaneiras, reduzindo assim a velocidade ascendente do gás e facilitando as reações de redução na cuba. Fig.2.39 – Sistema de carregamento e pressurização do topo de um alto forno com duplo cone, incluindo limpeza de gases (AF1 da CST).
  82. 82. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 82 Fig.2.40 – Seqüência de carregamento do topo de um alto forno com duplo cone. Fig.2.41 – Sistema de carregamento e pressurização do topo de um alto forno com calha rotativa (AF2 CST).
  83. 83. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 83 3 - SISTEMA DE LIMPEZA DOS GASES O gás que sai no topo do alto fomo arrasta consigo poeiras (15 a 35gNm3 ) que não podem ser lançadas na atmosfera, por isso, todo o material é submetido a um sistema de controle ambiental que separa todas as partículas sólidas, formando uma lama que é aproveitada na sinterização. A limpeza do gás é geralmente feita por um coletor de pó, venturis, lavador de gás(bischoff), precipitador eletrostático e separador de neblina. Os sistemas de limpeza de gases podem ser visto nas fig.4.18 e 4.20. O gás de alto forno limpo é empregado no aquecimento dos regeneradores e também é mandado para o um gasômetro, onde é distribuído para toda a usina e posteriormente misturado a outros gases combustíveis gerados na própria usina. A combustão da mistura de gases pode ser usada na produção de vapor para produção de energia nas termoelétricas. 4 - ANEL DE VENTO: Trata-se de um anel tubular que envolve o alto fomo na altura da rampa, que recebe o ar quente dos regeneradores e o distribui para o interior do alto fomo pelas ventaneiras. 5 – CASA DE CORRIDA: É a área em volta do cadinho destinada às corridas de ferro gusa e escória. Na CST, os furos de corridas são abertos com perfuradores pneumáticos e fechados por canhões hidráulicos para projeção de massa. No caso do forno 1, o sistema possui, normalmente, um canal em reforma, um aguardando operação e dois operando, estes em casas de corridas diferentes, tendo como objetivo manter o forno sempre esgotado.
  84. 84. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 84 Fig.2.42 – Lay Out da casa de corrida do Alto Forno 1 da CST.
  85. 85. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 85 Fig.2.43 – Perfurador do furo de gusa
  86. 86. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 86 Perfuração Fig.2.44 – Broca com haste, barra e tubo de oxigênio utilizads no furo de gusa.
  87. 87. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 87
  88. 88. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 88 6 - SEPARAÇÃO DO GUSA E DA ESCÓRIA: O gusa e a escória saem juntos por um único furo no cadinho, chamado furo de gusa. A separação do gusa e da escória se faz por diferença de densidade no canal de corrida principal. O gusa, mais denso, segue por outros canais em direção ao carro torpedo, e a escória segue para o sistema de granulação, onde a mesma recebe jatos de água pressurizados ficando com granulação fina devido ao choque térmico. Após desidratação da escória, ela é vendida para fábricas de cimento. Canal Principal Fig.2.45 – Desenho esquemático do Canal principal do gusa na casa de corrida Canais secundários:
  89. 89. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 89 Fig.2.46 – Foto de parte do Alto Forno da CST, onde aparece a casa de corrida, anel de vento e conjunto de ventaneiras.
  90. 90. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 90 Fig.2.47 – Esquema mostrando a separação do gusa e da escória na casa de corrida.
  91. 91. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 91 Fig.2.48 – Esquema do canhão obturador do furo de gusa. 7 - SISTEMA DE INJEÇÃO DE AR PELAS VENTANEIRAS: O sistema é constituído por: a) Tubulação de entrada do ar - Anel de vendo (tubulão), b) Mais de 20 derivações de: (AF1 da CST possui 38) b.1)Redução superior b.2) Curva superior b.3) Junta de expansão b.4) Joelho / cotovelo b.5) Algaraviz (refrigerado com água). b.6) Frame (refrigerado com água) b.7) Caixa de refrigeração (cobre eletrolitico refrig. c/ água) b.8) Ventaneira (cobre eletroli tico refrigerado com água) – em alguns algaraviz possui uma lança para injeção de carvão pulverizado pelas ventaneiras. Fig.2.49 – Esquema mostrando um sistema de injeção de ar pelas ventaneiras do alto forno.
  92. 92. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 92 8 - REGENERADORES OU COWPERS: São trocadores de calor que recebem o ar na temperatura ambiente, o aquece a cerca de 1200°C e envia para o anel de vento do alto fomo. Se o ar necessário à combustão fosse introduzido pelas ventaneiras à temperatura ambiente, seria necessário maiores quantidades de coque para gerar calorias para aquecer os gases redutores até as temperaturas de trabalho do interior do forno. Desta forma, utiliza-se parte dos gases do Alto Forno (BFG), misturados com o gás de coqueria (COG) para pré-aquecer o ar a temperaturas da ordem de 800 a 1200o C. Em média cada 100o C de aquecimento a mais no vento, reduz o consumo de coque de 20 a 40 Kg/t gusa. 8.1 - FUNCIONAMENTO DE UM REGENERADOR O gás misto (COG mais BFG) é introduzido juntamente com o ar perto da base da camara de combustão. O gás é queimado no interior da câmara de combustão, sobe pela mesma e atravessa os os tijolos refratários da câmara de regeneração. O gás queimado cede calor aos tijolos e sai por volta de 1500o C. Após aproximadamente 50min, o refratário atinge temperaturas; 1400o C. O ar soprado faz o caminho inverso do gás , ou seja, atravessa a câmara de tijolos refratários, se aquece e sai no terço inferior do ducto da câmara de combustão. A temperatura do ar injetado nas ventaneiras é controlada automaticamente pela adição do ar frio na tubulaçãode ar quente que vai para as ventaneiras, por meio de uma câmara de mistura.
  93. 93. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 93 Fig.2.50 – Esquema mostrando regeneradores de câmara de combustão interna e externa. Glendo: É um recuperador de calor contínuo, usado para aquecer o ae para as ventaneiras em pequenos Altos-Fornos onde não se possui coqueria para preparação do coque. O glendo possui as seguintes funções: - Queima o gás de topo do próprio Alto-Forno (BFG); - Funciona como serpentinas, mas para aquecimento do ar; - A temperatura dificilmente ultapassa aos 850º C; Os gases da combustão costumam atacar as tubulações de ferro. Fig.2.51 - Desenho esquemático de um Glendo.
  94. 94. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 94 Fig.2.52-Tubulaçõesdosgasesdeumregenerador
  95. 95. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 95 9 - SILOS DOS ALTOS FORNOS: Na CST, existem 12 silos de 500m3 para sinter, minério e pelotas; 4 de 200 m3 para small-coque e fundentes e 4 de 850 m3 para coque. Fig.2.53-DesenhoesquemáticodaáeadecarregamentodeumAltoForno
  96. 96. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 96 02.3.3.7 – POTENCIAL DE OXIGÊNIO/DIAGRAMA DE ELLINGHAN
  97. 97. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 97
  98. 98. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 98 Fig. 2.54 – Diagrama do potencial de oxigênio com a temperatura
  99. 99. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 99 Fig. 2.55 – Diagrama de Ellinghan
  100. 100. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 100
  101. 101. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 101
  102. 102. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 102 02.3.3.7.1 – POTENCIAL DE OXIGÊNIO EM UM REATOR
  103. 103. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 103
  104. 104. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 104
  105. 105. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 105
  106. 106. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 106
  107. 107. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 107
  108. 108. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 108
  109. 109. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 109 EXERCÍCIOS
  110. 110. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 110
  111. 111. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 111
  112. 112. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 112 02.3.3.8 - EXECÍCIOS DE CÁLCULO DE CARGA E BALANÇO TÉRMICO EM ALTO FORNO
  113. 113. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 113
  114. 114. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 114
  115. 115. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 115
  116. 116. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 116
  117. 117. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 117 Pede-se: Soprado.
  118. 118. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 118
  119. 119. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 119
  120. 120. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 120
  121. 121. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 121
  122. 122. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 122 03 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARAUJO, L. A. Manual de Siderurgia – Produção. Editora Arte & Cultura, São Paulo: vol.1. 1997. ARAUJO, L. A. Manual de Siderurgia – Transformação. Editora Arte & Cultura, São Paulo: vol.2. 1997. ASSIS, P. S., et. al. Novos processos de produção de ferro primário, Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais (ABM), São Paulo, 1995, 250p. BARREIRO, José Apraiz. Fabricação de Hierro, Aceros y Fundiciones, Tomo n 03. Combustão Aplicada à Siderurgia, ABM, São Paulo. BISWAS, A.K. PrincipIes of Blast Fumale Ironmaking. Cootha Publishing House, Brisbane, austrália, 528p., 1981 CAMPOS, V.F. Tecnologia de Fabricação do Aço, UFMG, Vol.1, Belo Horizonte, 1983 CARVALHO, J. L. R., et al. Dados Termodinâmicos para Metalurgistas, UFMG, Belo Horizonte-MG, 392p., 1977. CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos, Associação Brasileira de metais (ABM), 5a edição, São Paulo, 1982, 518p. COSTA, P. H. C., et. al., Um grande salto de produtividade na indústria siderúrgica, Simpósio – Siderurgia século XXI, ABM, São Paulo, 2001. HERSKOVIC, J. Elaboração do Aço: Fusão e Refino, São Paulo, SP. ABM MACHADO, Marcelo. L. P. Processo de Redução Direta e Indireta de Minérios de Ferro. CEFET-ES, Vitória-ES: 2002. MACHADO, Marcelo. L. P. Processos Pneumáticos de Fabricação do aço. CEFET-ES, Vitória-ES: 2002. MACHADO, Marcelo. L. P., Fenomenologia e Cinética da Redução do Minério de Ferro Hematítico no intervalo 900 - 13500 C em Condições Relevantes Para o Alto Forno, Dissertação de Mestrado, PUC-RJ, 1987. NOLDIN, J. H., et. al., Technolical evolution of the tecnored process, 60º Congresso anual da ABM, ABM, Belo Horizonte, 2005. MOURÃO, Marcelo B. Siderurgia para não siderugistas. ABM, São Paulo-SP: 2002. STORCH, I.; MARQUES SOBRINHO, V. P. F. Noções Básicas de Siderurgia. CEFET- ES, Vitória-ES: 2000. TAMBASCO, M.J .A. Redução do Minério de Ferro em Alto Fomo, São Paulo-SP, ABM, 1980.

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