Abm siderurgia para nao siderurgistas

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Abm siderurgia para nao siderurgistas

  1. 1. SIDERURGIA PARA NÃO SIDERURGISTAS
  2. 2. Marcelo Lucas Pereira Machado Engenheiro Metalurgista – UFF – RJ Mestre em Engenharia Metalúrgica – PUC-RJ Pós-Graduado em Educação / Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFES Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais Vicente de Paulo Ferreira Marques Sobrinho Engenheiro Metalurgista, Especialista em Engenharia Professor de Siderurgia do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais Lúcio Flávio Arrivabene Engenheiro Metalurgista – UFOP – MG Mestre em Engenharia Ambiental - UFES Pós Graduado em Sistemas de Produção de Petróleo Offshore – COPPE - RJ Pós-Graduado em Educação Escolar – FAESA Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais Consultor Ambiental – Fundação Ecossistemas - ES Vitória -ES 2003 2
  3. 3. APRESENTAÇÃO O presente material didático serve como mais um instrumento do processo ensino aprendizagem visando fornecer uma visão geral dos processos siderúrgicos desde as matérias primas até os produtos finais (placa ou tira laminada a quente). O curso Siderurgia Aplicada, objetiva, portanto, apresentar em linhas gerais e num curto espaço de tempo estimado de quarenta horas, uma visão geral dos processos siderúrgicos e das matérias primas; bem como os processos de redução direta e indireta, os processos de fabricação do aço e os processos de conformação mecânica de metais. Durante a abordagem dos conteúdos, toma-se o cuidado para que não ocorra um aprofundamento do conhecimento teórico, dando-se ênfase aos aspectos tecnológicos do processo de produção de aço pela Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST, situada em Ponta de Tubarão, Espírito Santo. A preocupação com o meio ambiente também é fator relevante e será enfocado em todas as etapas dos processos de produção. Fica claro que o assunto será abordado sempre do ponto de vista prático em consonância com os objetivos a serem atingidos pela empresa frente à comunidade como um todo. Registra-se o agradecimento à Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST, à Direção Geral e servidores do CEFET/ES e aos demais colegas profissionais da área e em particular aos professores da Coordenação de Metalurgia e Materiais do CEFET/ES. 3
  4. 4. SUMÁRIO 01 - Considerações Gerais.............................................................................................07 01.1 -Histórico da Siderurgia..........................................................................................07 01.2 - Conceitos Básicos................................................................................................09 01.3 - Principais produtos siderúrgicos...........................................................................09 01.3.1 - Diagrama de equilíbrio Ferro – Carbono...........................................................10 01.4 - Classificação dos Aços.........................................................................................12 01.5 - Importância dos produtos siderúrgicos.................................................................13 01.6 - Fluxogramas de usinas siderúrgicas....................................................................14 01.6.1 - Fluxograma reduzido de usinas integradas.......................................................14 01.6.2 - Fluxograma da CBF..........................................................................................15 01.6.3 - Fluxograma da Siderúrgica Belgo Mineirade Jardim América..........................16 01.6.4 - Ciclo Operacional da CST.................................................................................16 01.7 - Fluxograma da CST.............................................................................................19 02 - Visão geral das matérias primas.............................................................................20 2.1 - Introdução...............................................................................................................20 2.2 - Matérias primas para Sinterização e Alto Forno....................................................20 2.2.1 - Classificação das matérias primas......................................................................20 2.2.1.1 - Minérios de Ferro.............................................................................................20 2.2.2 - Características dos Minérios de Ferro para Sinterização....................................21 2.2.2.1 - Características Físicas.....................................................................................21 2.2.2.2 - Características Químicas.................................................................................22 2.2.3 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno.......................................22 2.2.3.1 - Características Físicas dos Minérios de Ferro para Alto Forno.......................23 2.2.4 Fundentes.......................................................................................................................23 2.2.5 - Matérias primas de Geração Interna...................................................................23 2.2.6 - Adições................................................................................................................24 2.2.7 – Pelotas de minério de ferro.................................................................................24 2.3 - Carvão Mineral e Vegetal.......................................................................................26 2.3.1 - Origens e Geologia.................................. .............................. ............................26 2.3.2 - Variedades de Carvões.......................................................................................27 03 - Preparação das matérias primas................................................... .........................30 03.1 - Recebimento das matérias primas.................................................... ..................30 03.2 - Britação.................................. .............................. .................................. ...........30 03.3 - Moagem.................................. ................................................................. ...........30 03.4 - Peneiramento.................................. ............................... ....................................30 03.5 - Calcinação.................................. .........................................................................31 03.6 - Coqueria.................................. ........................................... ................................32 03.6.1- Fluxograma da Coqueria da CST............................... .................................. ....32 03.6.2 - Preparação da mistura de carvões............................... ....................................33 03.6.3 - Enfornamento.................................. .............................. ..................................33 03.6.4 - Aquecimento/Coqueificação................................ .................................. ..........36 03.6.5 - Desenfornamento................................ .................................. ..........................38 03.6.6 - Apagamento.................................. ...................................................................38 03.6.6.1 - Apagamento a úmido................................ .................................. .................38 03.6.6.2 - Apagamento a seco.................................. .................................. ..................39 03.6.7 - Preparação do coque......................................................................... ..............41 4
  5. 5. 03.6.8 - Tratamento das matérias voláteis.................................. ..................................41 03.7 - Sinterização................................................................... .................................. ...43 03.7.1 - Princípio da sinterização................................. .................................. ..............43 03.7.2 - Movimento da frente de combustão................................. ................................43 03.7.3 – Reações durante a sinterização.................................. ....................................44 03.7.4 - Fluxograma de uma sinterização................................. ....................................45 03.7.5 - Máquinas de sinterização................................. .................................. .............46 03.7.6 - Preparação do sínter................................. .................................. ....................47 04 - Processos de redução dos minérios de ferros............................... ........................48 04.1 - Processos de redução direta................................................................... ............48 04.2 - Processos de redução indireta.............................................................................50 04.2.1 – Alto forno............................... .................................. .......................................50 04.2.1.1 - Ferro gusa e subprodutos................................ .................................. ..........51 04.2.1.2 - Impactos ambientais gerais causados pela escória.......................................52 04.2.1.3 - Corpo principal do Alto Forno................................. .......................................54 04.2.1.4 – Aspectos internos do Alto Forno.................................. .................................54 04.2.1.5 - Periféricos do Alto Forno............................... ................................................59 05 - Dessulfuração na CST................................................................... ........................66 05.1 – Reações na dessulfuração................................. .................................. .............66 06 - Produção do aço no convertedor............................................................................68 06.1 -Processos de sopro pneumático.................................. ........................................68 06.1.1 - Processos de sopro a oxigênio................................. .......................................69 06.1.1.1 - Convertedor LD.................................................................... .........................71 06.1.1.2 - Convertedor LD-KGC.................................. .................................. ...............75 06.1.1.3 - Convertedor K-BOP e Q-BOP.................................. .....................................76 07 - Refino secundário............................... .................................. .................................77 07.1 - Definição.................................................................... .................................. .......77 07.2 - Classificação dos processos.............................. .................................................78 08 - Lingotamento Contínuo............................... .................................. ........................83 08.1 - Características................................ .................................. ..................................83 08.2 - O processo de lingotamento contínuo.................................. ...............................84 08.3 - Operação................................ .................................. ..........................................85 08.4 - Importância do controle do processo nas propriedades metalúrgicas.................87 08.5 – Comparação entre os rendimentos no lingotamento convencional e contínuo...88 09 - Fornos de Aquecimento................................ .................................. ......................89 09.1 - Classificação dos fornos de reaquecimento................................. .......................90 09.1.1 - Fornos descontínuos ou intermitentes............................... ..............................90 09.1.2 - Fornos contínuos.................................. .................................. .........................91 09.2 - Produção.................................. ................................ .................................. .......93 10 - Laminação.................................................................... ..........................................95 10.1 - Definições dos produtos laminados.................................. ...................................97 10.1.1 - Classificação dos produtos semi-acabados................................. ....................98 10.1.2 - Classificação dos produtos acabados.................................. ............................98 10.2 - Classificação dos laminadores...........................................................................100 5
  6. 6. 10.3 - Órgãos mecânicos de um laminador.................................. ...............................107 10.4 – Laminação a quente..........................................................................................112 10.4.1 – Laminação de tiras a quente............................... ..........................................114 10.4.2 - Aspéctos metalúrgicos na laminação da laminação a quente.........................120 11 - Consumo de energia elétrica numa usina siderúrgica..........................................127 12 - Referências bibliográficas............................... .................................. ..................128 6
  7. 7. 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, pensandose, 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. 7
  8. 8. 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. 8
  9. 9. Fig.1.4 – Alto forno de 1640, com acionamento hidráulico. Os fornos eram construídos juntos de barrancos para permitir o carregamento pelo topo por carrinhos de mão. Fig.1.5 – Foto de um alto forno americano do século XVII, com foles acionados por roda d’água. 01.2 - CONCEITOS 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 fundidos. 9
  10. 10. 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 912oC sob a forma alotrópica alfa (α) e acima de 912oC até 1354oC 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). 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 10
  11. 11. centro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui átomos de ferro no centro das faces do reticulado. Estrutura CCC Estrutura CFC 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 727oC. 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 880oC, 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 liga: Inoxidáveis ferríticos, inoxidáveis austeníticos, para ferramentas e matrizes, etc. 11
  12. 12. 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 Aço carbono comum Aço níquel (3,5%) Aço Níquel-cromo Aço cromo(0,95%)-molibdênio(0,2%) Aço cromo Outros Classe I0XX 23XX 3YXX 41XX 51XX 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 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 dos produtos siderúrgicos, portanto, é necessário tê-las em mão ao proceder a classificação, para evitar o registro de enganos. 12
  13. 13. 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: R$220,00It Placas de aço carbono: R$450,00It Chapas de aço carbono: R$1.200,00It Chapas de aço inox. Ferrítico: R$6.000,00It Chapas de aço inox. Austenítico: R$13.000,00It Chapas de alumínio: R$12.000,00/t Chapas de alumínio ligado: R$30.000,00It Chapas de cobre: R$15.000,00It 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 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 13
  14. 14. 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 Matérias Primas Preparação das matérias primas Extração do metal Elaboração Conformação Produto final acabado Minérios, carvões, fundentes, etc Sinterização, pelotização, etc Alto-forno, etc Aciaria, refino secundário, etc Ling. contínuo, laminação, fundição Perfiz, vergalhões, Tiras, chapas 14
  15. 15. Matérias Primas da Siderurgia: Minérios de ferro, carvão vegetal, carvões minerais, fundentes (calcário, dolomita, etc.), sucatas, Oxigênio, combustíveis, ferro-ligas 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. Carvão vegetal Ar Minério granulado ALTO FORNO Fundentes Poeiras e gases Escória Gusa líquido Gusa sólido vendas 15
  16. 16. 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. Sucata Ferros-ligas Gusa Aciaria Elétrica Fundentes Oxigênio Escória Poeiras e gases Aço líquido Lingotamento contínuo Lingotes Laminação Trefilação Perfiz e vergalhões 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; 16
  17. 17. • Pátio de estocagem de minério e fundentes onde ocorre a produção da mistura dos materiais necessários à produção de sinter consumido no Alto Forno. Alternativamente à utilização do sinter, pode-se ter o consumo de pelotas capaz de substituir o sinter em parte ou integralmente; • Coqueria que produz o coque para a composição de carga do Alto Forno juntamente com minério de ferro, sinter e/ou pelotas; • A coqueria gera alguns efluentes sólidos, líquidos e gasosos, que são reaproveitados em sua quase totalidade no próprio processo. Um desses efluentes é o COG - gás de coqueria, que é um rico a combustível utilizados em várias unidades da usina, principalmente no Alto Forno; • O processo pode substituir, em parte, o coque por carvão pulverizado, que é injetado na parte inferior do Alto Forno (na região das ventaneiras). Este será o caso do Alto Forno II, que consumirá grande parte de carvão pulverizado que será produzido na unidade de PCI; • Sinterização, que é a unidade de produção do sinter consumido no Alto Forno como é o caso atual da CST. O sinter é produzido na máquina de sinter utilizando minério de ferro bitolado, minério de manganês, fundente constituído de finos de calcário e combustível constituído de finos de coque e o COG, que tem também é utilizado. • Utilidades: sob esta denominação são consideradas várias unidades que produzem insumos complementares para o consumo em outros unidades da usina. Desta forma, tem-se a casa de força para a geração de eletricidade, vapor e ar soprado, onde é utilizado o gás do Alto Forno juntamente com o de coqueria (BFG+COG). Ainda sob denominação de utilidades, tem-se a unidade de fracionamento de ar, que produz oxigênio e nitrogênio utilizados em várias unidades do processo industrial (Alto Forno, Sinterização, Coqueria, Lingotamento, Dentre outras unidades). Estação de tratamento de água (ETA) e recirculação, que promove o reaproveitamento, em circuito fechado, da maior parte da água doce utilizada. Unidade de ar comprimido que alimenta várias unidades com ar, também é utilizado no processo de fracionamento de ar, também utilizado no resfriamento de vários elementos envolvidos no processo industrial; • Calcinação, que utiliza o calcário para produção de cal, consumida na Aciaria e na Sinterização; • Aciaria, que produz o aço a partir do ferro gusa (processo de oxidação em convertedores LD); • Unidade de lingotamento ( contínuo ) que promove a moldagem do produto final (placas) que podem ser enviadas para o cliente ou alimentar a laminação de tiras a quente. • Unidade de Laminação de Tiras a Quente, onde a placa após reaquecimento em forno de placa é encaminhada ao trem de laminação a quente onde sofre a devida conformação, tendo como produto final a bobina de tira a quente, que pode ser utilizado como produto comercial, após passar pela laminação de acabamento ou destinado para o cliente para alimentar o trem de laminação a frio. 17
  18. 18. • Sistema de lavagem e limpeza de gases utilizados nas demais unidades, cujos gases apresentam níveis de contaminação que necessitam ser minimizados antes de serem utilizados no próprio processo (COG e BFG). 18
  19. 19. 01.7 – FLUXOGRAMA DA CST. Sinter feed Carvão mineral Sinterização Coqueria Matérias Voláteis Coque Minério granulado Sinter Pelotas Calcário Escória Alto-Forno Ar Poeiras Gases Gusa líquido Calcinação Fundição Dessulfuração Peças Oxigênio Ferro-ligas Cal Sucatas Convertedor Escória Poeiras Refino secundário Aço líquido Gases Lingotamento contínuo Laminação de tiras à quente Tiras Placas Expedição 19
  20. 20. 02 - VISÃO GERAL DAS MATÉRIAS PRIMAS. 2.1. INTRODUÇÃO A área de matérias primas minerais de uma usina siderúrgica corresponde à etapa inicial de um ciclo produtivo, cujo produto final é o aço. Neste contexto deve funcionar garantindo o suprimento destas matérias primas em qualidade, operacionalidade e custo. Podemos dizer que a qualidade e custo do produto final, em princípio, se comprometem nesta etapa inicial do processo siderúrgico. 2.2. MATÉRIAS PRIMAS PARA SINTERIZAÇÃO E ALTO FORNO 2.2.1. Classificação das Matérias Primas As matérias primas minerais utilizadas no processo de redução para obtenção do ferro gusa, podem ser classificadas a princípio em minérios de ferro, fundentes , adições e materiais 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 (composto químico). Esta combinação pode ocorrer de várias formas originando minérios de composição química e características diferentes como veremos mais adiante. Dentre eles pode-se citar: Hematita ( Fe2O3 ) e Magnetita ( Fe2O3 ) Fundentes – São matérias primas utilizadas para reduzirem o ponto de fusão da ganga escorificando as impurezas introduzidas pelos minérios e dando condição para posterior 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 usina cujo 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 que podem gerar algum tipo de impacto ambiental. Portanto é fundamental seu reaproveitamento o que minimiza esses impactos ambientais. Dentre eles pode-se citar: pó de minério, pó de coque, pó de carvão, escória de alto forno. 2.2.1.1 Minérios de Ferro Os minérios que apresentam interesse econômico para a siderurgia são basicamente os óxidos, sendo os mais utilizados a hematita e a magnetita. Hematita - é o tipo mais comum de minério de ferro, constituído essencialmente pelo óxido com fórmula Fe2O3 (trióxido). Apresenta um teor nominal de 69,5% de ferro contido, mas o teor varia de 45 a 68% devido a presença de ganga (impurezas). 20
  21. 21. Magnetita - Constituída essencialmente do óxido de ferro cuja fórmula é Fe3O4 (peróxido). Apresentando um teor nominal de 72,4% de ferro, sendo que o seu teor real varia de 50 a 70%. É um material de cor cinza escuro e apresenta propriedades magnéticas, o que facilita a sua concentração nas operações de beneficiamento de minérios. Limonita - Consiste essencialmente em Hematita hidratada (presença de água) com fórmula Fe2O3 , na qual a proporção de moléculas de água de hidratação pode variar de 1 a 3. Em conseqüência varia também o teor nominal de ferro sendo que o teor real normalmente não ultrapassa 65%. Apresenta-se como um material de cor marrom. Siderita - É um tipo pouco freqüente de minérios, ocorrendo normalmente como componente de mistura da hematita e em pequenas proporções. Apresenta-se na fórmula FeCO3 (Carbonato), sendo que seu teor real varia de 10 a 40%. Pirita - Também de pouca importância, normalmente aparece como componente de mistura de minérios de outros metais (minérios de cobre, por exemplo). Sua fórmula básica é FeS2. 2.2.2 - Características dos Minérios de Ferro para Sinterização: O minério para Sinterização é comumente chamado de "Sinter Feed" que é uma mistura padrão destes minérios. Estes minérios são especificamente preparados para serem sinterizados devendo possuir portanto características físicas e químicas capazes de propiciar a obtenção de um 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 de fornecimento e de transporte. 2.2.2.1 - Características Físicas O minério para Sinterização deve apresentar primeiramente boa granulometria e poder de 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 mesh O poder de aglomeração a frio, sendo a capacidade dos minérios sofrerem uma micropelotização sob o efeito da umidade e misturamento. Isto pode ser observado no manuseio do minério (empilhamento e /ou ensilamento). Esta característica provavelmente traduz o conjunto das outras agindo positivamente para facilitar a micropelotização. 21
  22. 22. A produção de uma máquina de sinter está intimamente relacionada com o poder de aglomeração a frio dos minérios uma vez que a o processo de sinterização consiste em mistura e homogeneizar finos de minério de ferro, finos de carvão ou coque, finos de fundentes (cal, etc.) e umidade e atear fogo ao carvão, de modo que a temperatura atinja 1200 a 1400 oC, condição esta suficiente para que a umidade evapore e as partículas se soldem por caldeamento, obtendo-se um material resistente e poroso, denominado sínter. Industrialmente, existem dois processos que servem de base para as plantas de sinterização. O processo GreenWalt, processo intermitente, adequando às usinas de pequeno e médio porte, contudo, há instalações com capacidade para quase 1500 toneladas de sinter por dia e o processo Dwight-Lloyd, processo contínuo, recomendado às grandes usinas, contudo tem sido o processo mais aceito em quase todos os níveis de produção. 2.2.2.2 - Características Químicas A composição química que um minério deve apresentar para a Sinterização depende de um contexto amplo, no qual envolve: - Balanço de carga para o Alto Forno (devido ao nível de participação do Sinter na carga 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, titânio e álcalis ( compostos contendo potásssio, sódio, etc ) o controle químico resume-se nos teores de sílica (SiO2), alumina (Al2O3) e fósforo (P). A Sinterização exige portanto um minério que possua estas características dentro de determinados valores para que se produza o Sinter. No entanto, além de satisfazer o aspecto da qualidade o minério deve apresentar disponibilidade, custo etc. Sendo assim, surge uma mistura destes em que normalmente se encontra o minério base e o de adição. Entende-se por minério base o minério que devido as suas características físicas e químicas é usado em maior proporção. Por minério de Adição entende-se como aquele que por possuir características físicas e/ou químicas especiais é usado em menor proporção, servindo como corretivo do minério base. 2.2.3 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno: A carga metálica do Alto Forno a Coque é normalmente composta de: - Sinter; - Pelota; - Minério granulado. O minério de ferro normalmente participa numa proporção que pode variar de 5% até 20% dependendo muito da usina e da situação. Basicamente um minério para Alto Forno deve apresentar: - Alto teor de ferro - Baixos teores de fósforo, álcalis e enxofre. 22
  23. 23. No caso do fósforo, cerca de 100% vai para o gusa, além disso, estima-se que para cada 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 fósforo elevados desclassificam o aço na aciaria devido ao fato de provocarem fragilidade no mesmo. 2.2.3.1 - Características Físicas dos Minérios de Ferro para Alto Forno Os parâmetros que devem ser controlados no minério são basicamente os seguintes: - Granulometria (finos < 5,0mm) - Crepitação/RDI/Redutibilidade - Resistência mecânica - Finos de aderência Com exceção da resistência mecânica e da redutibilidade, os níveis de controle devem ser os mais baixos possíveis. 2.2.4 - Fundentes As 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-se fundente, os quais, podem ser divididos em: Básicos (portadores de CaO e/ou MgO) Fundentes Ácidos (portadores de SiO2 e/ou Al2O3) Os principais fundentes são: - Calcário (portador de CaO); - Cal ( portador de CaO); - Dunito (portador de MgO e SiO2); - Serpentinito (portador de MgO e SiO2); - Dolomita (portador de MgO e SiO2); - Quartzo (portador de SiO2). A composição química destes é a mesma tanto para Sinterização quanto para o Alto Forno. Sendo que a granulometria situa-se na faixa especificada abaixo: - 0 a 3,0 mm aproximadamente para Sinterização - 10 a 30 mm aproximadamente para o Alto Forno. 2.2.5 - Matérias Primas de Geração Interna Existem algumas matérias primas originadas dentro da usina decorrentes de outras etapas do processo siderúrgico que por suas características devem ser utilizadas na Sinterização. Além deste aspecto, existe também o aspecto ambiental, onde se tornou 23
  24. 24. fundamental a reciclagem de resíduos. As principais matérias-primas originadas no interior 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%). A Carepa quando adicionada na pilha pode favorecer a redução de Coque na Sinterização. Pó de Alto Forno - Origina-se no coletor de pó do Alto Forno. A sua composição química justifica sua utilização devido ao alto teor de carbono (C). Também pode diminuir consumo de combustível na Sinterização. Lixo Industrial - É basicamente composto de minérios e fundentes, originados da limpeza da área industrial. Deve ser peneirado para utilização na pilha homogeneizada. Resíduos da Calcinação - Estes materiais são decorrentes do processo de preparação da cal para a aciaria. Além da cal peneirada para a sinterização, temos a pré-cal, a cal britada e a lama de calcário. Todos estes produtos apresentam qualidade e quantidade que justificam sua utilização posterior. Pó de CDQ - É um pó originado do apagamento à seco do coque na coqueria. É importante aproveitá-lo devido seu alto conteúdo de carbono (C). 2.2.6 - Adições As principais matérias primas utilizadas como elementos de adição ao processo de redução 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 mesma forma agem a magnetita titanífera, briquetes e concentrados de TiO2. 2.2.7 – Pelotas de Minério de Ferro As pelotas consumidas nos altos fornos da CST são provenientes das usinas de pelotização da CVRD que adota o seguinte processo de produção: O processo industrial inicia-se com a descarga da composição de vagões contendo as matérias-primas nos viradores de vagões, apresentando a distribuição adequada das matérias-primas: ultra-finos de minério de ferro proveniente de Itabira-MG e calcário. Através de correias transportadoras, estas matérias-primas serão transportadas até o pátio de finos para estocagem, formando uma mistura com composição química e granulométrica pré-determinadas para a produção de pelota com as características 24
  25. 25. necessárias exigidas pelo mercado consumidor. O empilhamento da matéria-prima é feito por uma empilhadeira móvel que deposita os diferentes tipos de minério em camadas sucessivas nas proporções definidas pelo produto final desejado. O calcário é introduzido durante a formação da pilha na proporção de 13kg/t de minério. O carvão e o calcário utilizados no processo de pelotização existente no complexo de Tubarão, são recebidos e estocados em pátios específicos. Antes de a polpa moída ser encaminhada ao espessador, ela passa por um grupo de hidrociclones que separaram os finos fora de especificação, fazendo-os retornar juntamente com uma parcela da água que forma uma mistura, para a alimentação dos moinhos. A polpa resultante, com menor umidade, é então encaminhada para o espessador. A polpa resultante da moagem e classificação nos hidrociclones é encaminhada para o espessador com 50m de diâmetro, o qual promoverá o aumento da densidade da polpa, retirando a água que será encaminhada para o tanque de processo, retornando ao moinho. A operação de filtragem tem por finalidade reduzir a umidade da polpa proveniente dos tanques de homogeneização. A pelota a ser produzida nos discos de pelotamento deve apresentar, ainda crua, a resistência necessária para o manejo antecedente à fase de queima. Dessa forma, após a filtragem, a polpa retida recebe uma certa quantia de aditivo que será a cal hidratada (ou a bentonita), exercendo a função de aglomerante, a fim de facilitar a produção da pelota e proporcionar a resistência a frio por ela demandada. A uniformização da mistura é realizada em misturadores cilíndricos rotativos, que recebem a ‘’polpa retida’’ dos filtros contendo a dosagem exata do aditivo (cal hidratada ou bentonita). A seguir, a “polpa retida” será transportada por correias transportadoras até os silos dos discos de pelotamento. A operação de pelotamento é realizada em discos de pelotamento com 7,5m de diâmetro e a capacidade de processamento de 120t/h de “polpa retida”. Os discos serão inclinados de 48° em relação ao plano horizontal e giram a 5,6 rpm. Ao atingirem certa faixa de diâmetro, a ação de rotação do disco promoverá o desprendimento de pelota que cairá sobre o primeiro conjunto de peneiras de rolo. Nas peneiras de rolos, ocorre a primeira seleção da pelotas a serem encaminhadas ao forno. A queima da pelota crua no forno da usina promove o tratamento término necessário para que as pelotas adquiram alta resistência mecânica e as características metalúrgicas necessárias para sua utilização em alto-forno de usinas siderúrgicas. A saída do forno, as pelotas são conduzidas para uma peneira vibratória, que separa a 25
  26. 26. parcela de pelotas com diâmetros inferior a 5mm. Também é separada nessa peneira uma parcela do produto que será recirculada para formação da camada de forramento da grelha do forno. O produto final, após o peneiramento será encaminhado para o pátio de pelotas. O empilhamento das pelotas é realizado por uma máquina empilhadeira móvel, e a recuperação das pelotas para embarque em navios é realizada por meio de máquina recuperadora de caçambas. 2.3 - Carvão Mineral e Vegetal 2.3.1 - Origens e Geologia O carvão mineral é uma massa compacta, estratificada, oriunda da decomposição de matérias vegetais, as quais passaram por vários estágios de conseqüentes ações geológicas, que provocaram modificações em suas propriedades físicas e químicas. As modificações nas propriedades da matéria vegetal envolvem alterações complexas nos 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 linhitos pode-se observar ainda restos da estrutura das plantas que o formaram. Os depósitos carboníferos se localizam nos limites de regiões montanhosas, onde alterações geológicas, no período quaternário, causaram o soterramento de florestas, e para o desenvolvimento da luxuriante vegetação da época, era necessário clima ameno, com bastante umidade e solo fértil. Estas duas condições são encontradas nas vizinhanças de cordilheiras, pois as cadeias de montanhas representam coletores de chuvas que, devido à diferença de altura entre os montes e a planície, provocam uma erosão intensiva, resultando em fonte de suprimento de minerais pela conseqüente sedimentação nas baixadas. Para a formação de camadas carboníferas, outra condição essencial teria sido o abaixamento do subsolo lento, porém, interrompido. Como resultado de um movimento tectônico deste tipo, a região coberta de florestas ficou submersa, transformando-se em lago. Com o passar do tempo, argila e areia eram arrastadas pela erosão natural e o depósito de turfa, recoberto por uma camada de terra. A compactação progressiva da turfa 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 até anulado pela formação de montanhas. Durante estes movimentos, grandes pressões eram exercidas nas diversas camadas do solo e, naturalmente, também, sobre os depósitos vegetais. A ação combinada da pressão e do calor aplicado durante longos períodos, causaram modificações profundas na estrutura da turfa, com eliminação da água, do gás carbônico e do metano, aumentando progressivamente o teor de carbono no material residual. Tais modificações podem ter durado vários séculos e resultaram na transformação progressiva da turfa em linhito e depois, nos diversos tipos de carvão betuminoso, até chegar a antracito. 26
  27. 27. Estimativas de geólogos indicam que as temperaturas às quais foi submetida à matéria vegetal 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 de composições e características, sendo aceito sem discussões que as turfas de hoje, por meio de uma série de transformações, gradualmente se transformariam em carvões no futuro. A turfa é, portanto, considerada o estágio inicial da transformação da matéria vegetal em carvões, resultante da decomposição de vegetais de pequeno desenvolvimento (musgos e arbustos) num ambiente de água doce. 2.3.2 - Variedades de Carvões MADEIRA A lenha é o combustível mais comum. Durante séculos, a lenha e o seu derivado o carvão vegetal - foram praticamente os únicos combustíveis conhecidos, tanto para o consumo doméstico, como para a reduzida indústria, inclusive na Metalurgia. Nos meados do século XVIII (1735), foi descoberto o coque metalúrgico: - derivado das hulhas - que passou então a substituir o carvão vegetal nas regiões de hulhas abundantes. Com a introdução da máquina a vapor (1775), e principalmente, com a extraordinária expansão das aplicações da máquina a vapor, a partir da chamada Revolução Industrial que se iniciou nos primórdios do século passado, e as suas conseqüências na ativação da metalurgia, dos transportes marinhos e ferroviários, a hulha suplantou a lenha como o grande combustível industrial. A lenha só conservou sua importância nas regiões pobres de hulha, caso que inclui toda a América Latina, em particular o Brasil, onde seu consumo industrial chega a cifras 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. de hulha pode liberar 6.500.000 Kcal. Então, 1 m³ de lenha equivale a 0,3 ton. de hulha e os 100 milhões de m³ de lenha equivaleriam a 33 milhões de toneladas de hulha. TURFAS As turfas resultam da decomposição dos vegetais nas lagoas, pântanos, encontrandose tanto nas formações contemporâneas, como nas recentes da era quaternária. As mais recentes apresentam-se como uma terra negra ou castanha, ou como massa de estrutura fibrosa, emaranhada de raízes, hastes e detritos dos vegetais donde provieram. As mais antigas são mais compactas, de estrutura aleitada, cor castanha. Recém27
  28. 28. extraídas, são consideravelmente mais úmidas, com 80 a 90% de água; secas ao ar, contém ainda de 15 a 30% de água de embebição. Nesta condição, têm peso variável de 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 aplicações restritas (fornalhas, cerâmicas, estufas), embora possa ser prensada em blocos ou briquetes e gaseificada em gasogênios. Algumas podem fornecer semi-coque, com aproveitamento das matérias voláteis, por processo de destilação a baixas temperaturas. No Brasil, se tem encontrado algumas turfeiras, nas costas baixas dos Estados do Espírito Santo (Jucu) e Rio de Janeiro (Marambaia). LINHITOS Os linhitos são carvões fósseis mais antigos que as turfas e mais recentes que as hulhas, 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 camadas encaixadas em formações sedimentárias, com espessuras que variam de centímetros a dezenas de metros (até 80 metros), podendo então constituírem reservas de considerável importância como acontece nos Estados Unidos e Alemanha. HULHAS As hulhas são o resultado da decomposição de verdadeiras florestas que existiram em épocas em que as condições climáticas da terra foram extremamente favoráveis ao esplendor da vida vegetal e que foram posteriormente soterradas durante os ciclos geológicos. Muitas delas se admite resultarem de enormes turfeiras desta época de intensa vida vegetal (períodos Carbonífero e Permiano). Os processos de decomposição se admitem como devidos à ação de microorganismos e fungos, em fases de destruição acróbia e posteriormente em fase anacróbia (fermentação), seguidas ainda pela ação da pressão exercida pelos depósitos minerais que sobre ele depositaram conjugadas ao calor quer do grau geotérmico, quer o gerado nos diastrofismos da crosta terrestre. Todas estas ações resultaram em transformações mais ou menos profundas da primeira matéria vegetal: de um lado, estas transformações se traduziram pela progressiva diminuição da umidade (embebição) e dos teores de oxigênio e hidrogênio (evolução de compostos voláteis) e o decorrente aumento do teor de carbono, de outro lado, por acentuadas transformações químicas dos constituintes da matéria decomposta, com o aparecimento de substâncias não encontradas normalmente nos tecidos vegetais vivos, tais como hidrocarbonetos das séries cíclicas, como o antraceno, o benzeno e outros que são importantes substâncias de utilização industrial; por isto mesmo, além do carbono que é o principal constituinte das hulhas, como combustível, podem elas fornecer estas importantes substâncias, tornando-as assim, importantes fontes de matérias primas de natureza química, que são aproveitadas como subprodutos na destilação das hulhas e empregadas para a fabricação de 28
  29. 29. corantes, anilinas, medicamentos, explosivos, borracha sintética, solventes etc. Por isto mesmo, as hulhas assumem considerável importância industrial, justificando-se o notório fato de estarem justamente nas regiões onde ocorrem em abundância os mais importantes centros industriais do mundo moderno (Pensylvânia, Ruhr, Inglaterra, Rússia, França). Assim, se justifica também porque as hulhas se classificam em função do seu teor de carbono e destes componentes nobres que se desprendem durante a destilação, como "matérias voláteis", visto que se desprendem como gases, as temperaturas da destilação (800 a 1.000oC) condensando-se depois alguns como líquido permanecendo outros como gases. As alterações na composição dos combustíveis naturais sólidos e fósseis são uma função da sua "história geológica", isto é, não propriamente do tempo, mas da série de fenômenos metamórficos pelos quais tenha passado o depósito geológico do combustível, o que se define na literatura em inglês, por "RANK", que significa ORDENAÇÃO HIERÁRQUICA. Assim é que as hulhas perdem matérias voláteis e se enriquecem em carbono, tanto mais elevada seja a sua ordem. ANTRACITO O último estágio destas transformações é representado pelo Antracito (do Grego ANTRAX = CARVÃO), que contém o mínimo de umidade e matérias voláteis e o máximo de carbono. O Antracito tem aspecto cristalino, brilhante, é duro mas frágil, fragmentando-se sucessivamente em partículas aproximadamente cúbicas ou lamelares. CARVÃO MINERAL NACIONAL O carvão mineral do Brasil é encontrado nos Estados de Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paraná, São Paulo, Góias, Piaui, Maranhão, Pará e Amazonas. Porém, somente as jazidas dos estados sulinos, principalmente as de Santa Catarina e as do Rio Grande do Sul, podem ser lavradas economicamente. Em São Paulo e Paraná as jazidas são ínfimas, usadas somente em pequenas termelétricas e em aplicações industriais de importância reduzida. 29
  30. 30. 03 - PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS 03.1 - RECEBIMENTO DAS MATÉRIAS PRIMAS As 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 de carvões minerais. Os mesmos, chegam do exterior ao Porto de Praia Mole, de onde são conduzidos através de correias transportadoras até o pátio de carvões e empilhados na forma de fileiras prismáticas. Os minérios de ferro são recebidos pelo ramal ferroviário da CVRD dotado de um virador 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 ser recebidos pelo mesmo ramal ferroviário da CVRD, ou no hopper rodo-ferroviário; que também são conduzidos ao pátio primário e empilhados da mesma forma que os minérios. Em todos os pátios, cada pilha deve ser de apenas um material, que pode ser analizado e seus dados registrados no computador indicado para cada um dos casos existentes. Fig.3.1 - Esboço do esquema de formação das pilhas 03.2 - BRITAÇÃO Britação é o processo de fragmentar as matérias primas, transformando-as em grânulos com a granulometria requeri da pelo processo a que se destina. Exemplo: O calcário deve ser britado até atingir granulometria abaixo de 100mm. 03.3 - MOAGEM Na moagem o material é fragmentado até se transformar em pó. Exemplo: O carvão mineral, depois de britado, é moído até que suas partículas fiquem menores do que 0,2mm, então, passa a poder ser usado na produção da mistura de carvões a enfornar, para produzir coque. 03.4 - PENElRAMENTO São operações feitas em classificadores geométricos, denominados peneiras ou grades vibratórias, com o fim de separar cada grupo das matérias primas conforme 30
  31. 31. seus respectivos tamanhos. Exemplo: Depois de resfriado e britado, o coque deve ser submetido a dois classificadores com aberturas de 75 e 20mm; de modo que o coque com granulometria de 20 a 75mm deve ser usado no alto fomo e o menor que 20mm na sinterização. 03.5 - CALCINAÇÃO Calcinação é a unidade que transforma calcário em cal pelo seu aquecimento acima de 1200°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 como fundente, dessulfurante, desfosforante e refrigerante. A prática industrial de calcinação pode ser feita em fornos de cuba aquecidos a gases ou pela combustão de carvão vegetal granulado adequadamente misturado ao calcário. Em escala de produção elevada, como na CST, podem ser empregados fornos cilíndricos horizontais giratórios. A calcinação da CST opera com calcários calcítico e dolomítico, em dois fomos horizontais com capacidade nominal de 350ton/dia e dimensões com 3,2m de diâmetro por 55m de comprimento. Adição de Calcário Saída dos gases 1250o C Queimadores Cal Fig.3.2 - Esquema em corte vertical do forno de calcinação O material a ser calcinado é alimentado na extremidade mais alta do fomo e conduzi da à sua parte inferior pela sua rotação reforçada pela força da gravidade, o que permite uma descida lenta do material, em contra corrente ao fluxo dos gases quentes provenientes da zona de combustão, promovendo, assim, a dissociação dos carbonatos, sendo possível produzir cal calcítica e/ou cal dolomítica. A coleta da cal produzida ocorre na extremidade inferior do forno. 31
  32. 32. A cal obtida no forno horizontal tem granulometria inferior a 40mm e deve ser submetida a um peneiramento de 9mm, de modo que o oversize segue para a aciaria e os 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 de manutenção. 03.6 – COQUERIA: Coqueria é a unidade industrial que transforma mistura de carvões minerais em coque. O coque metalúrgico é empregado nos altos fornos, onde pode atuar como combustível, 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 importância que lhe é conferi da na siderurgia. O ciclo operacional da coqueria pode ser resumido nas seguintes fases: Preparação da mistura de carvões → Enfornamento Aquecimento → Desenfornamento Apagamento → Preparação do coque → Tratamento das matérias voláteis. 03.6.1- FLUXOGRAMA DA COQUERIA DA CST. Mistura de carvões Bateria de coque Gás bruto ( matérias voláteis) (25%) Britador Usina de subprodutos Coque grosso ( > 75mm) (75%) Classificador Piridina (0,01%) Coque fino ( < 0,25mm) Coque Bitolado ( 20 - 75mm) Alto Forno Gás de coqueria (17%) Sinterização Óleos leves (1,22%) Sulfato de amônia (1,2%) Alcatrão (5,3%) 32
  33. 33. 03.6.2 - PREPARAÇÃO DA MISTURA DE CARVÕES Os melhores carvões minerais usados na produção de coque metalúrgico são as hulhas, que são constituídas de carbono fixo, matérias voláteis e cinzas. Para a produção de um bom coque metalúrgico, deve ser preparado uma mistura de carvões com cerca de 25% de matérias voláteis e abaixo de 8% de cinzas. 03.6.3 – ENFORNAMENTO. Uma bateria de fornos de coque com recuperação de subprodutos é constituída de fornos verticais geralmente de 11 a 15 metros de comprimento, 3 a 7 metros de altura e 300 a 550 mm de largura. Suas paredes são construídas de tijolo refratário de sílica, de projeto especial para evitar a passagem de gases. Estes fornos são aquecidos por um gás, o qual é injetado em uma rede de dutos e estes por sua vez, são conectados aos regeneradores, que alimentam dois fornos de coqueificação adjacentes. Estes regeneradores são construídos de tijolos refratários de sílica-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 para combustão. O número de fornos numa bateria é bastante variado e pode chegar a ter 200 fornos, e cada forno tem portas removíveis para possibilitar a retirada do coque incandescente com 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. Uma câmara de coqueificação mede 40 a 45cm de largura por 4 a 7m de altura 7 a 15m de comprimento. No topo do forno, existem 3 a 5 furos por onde é feito o carregamento da mistura de carvões e uma abertura destinada ao recolhimento das matérias voláteis. 33
  34. 34. 1- Correia transportadora 2- Silo principal 3- Carro alimentador 4- Fornos (retortas) 5- Rampa de descarga 6- Vagão de apagamento 7- Duto de matérias voláteis Fig.3.3 – Esboço de uma bateria de fornos(retortas) de uma coqueria Fig.3.4 – Visão geral de uma coqueria. No primeiro plano, as instalações de britagem e peneiramento do coque. 34
  35. 35. Fig.3.5 – Esquema de um forno (retorta) e seus principais acessórios. Fig.3.6 – Esquema de um forno “Gun-Flue” com conversão de meia parede. 35
  36. 36. Fig.3.7 – Esquema de um forno com duplo par de canais. Fig.3.8 – Esquema do processo de coqueificação. 03.6.4 - AQUECIMENTO/COQUEIFICAÇÃO O aquecimento do carvão enfornado é indireto, pois, o calor é gerado nos dutos de aquecimento 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 sem circulação 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 características adequadas a uma destilação (aquecimento em ausência de ar). Esta 36
  37. 37. destilação provoca a liberação de gases e o aparecimento de um resíduo sólido, poroso, infusível, basicamente constituído de carbono, que é o coque. Quando o carvão carregado dentro da câmara (forno), o mesmo, entra em contato com as duas paredes aquecidas e o calor é transmitido, por condução, para o centro da carga. De cada parede surgem duas superfícies planas isotérmicas, que caminham para o centro da carga. Até as isotermas de 300o C, a mistura de carvões permanece sólida, liberando somente vapor d’agua e poucos gases (CO etc). Entre 300 e 500o C, a mistura amolece e torna-se fluida devido à grande liberação de matéria volátil. O material situado entre estas isotermas forma uma camada "envelope plástico", ocorrendo aí o primeiro estágio da coqueificação. Entre 500 e 900o C, a mistura perde fluidez e as partículas se unem formando o semicoque. A seguir, o processamento das reações finais de condensação e desidrogenação, características do segundo estágio da coqueificação, transformam o semi-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 fornos até o centro da carga constitui o "coking-rate" e a coqueificação está terminada com o encontro das duas frentes plásticas. Na coqueria da CST, o tempo de enfornamento é de 16h e 30min. A B C A – pouco depois do carregamento, B – cerca de metade do ciclo de coqueificação, C – coalescência final (máxima pressão de coqueificação). Fig.3.9 – Esquema mostrando o deslocamento da camada plástica durante a formação do coque. 37
  38. 38. 03.6.5 - DESENFORNAMENTO Quando não sai mais matéria volátil, então, o coque está pronto e deve ser desenfornado. As 2 portas são abertas e por uma delas é introduzido o êmbulo empurrador, que empurra o coque para fora, pela outra porta, de modo que o coque incandescente cai dentro de um vagão de transporte. Fig.3.10 – Esboço de um decarregamento do coque incandescente 03.6.6 - APAGAMENTO O coque deve ser apagado imediatamente, para impedir sua queima, o que pode ser feito a úmido ou a seco. 03.6.6.1 - Apagamento a úmido No 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 litros d’água por tonelada de coque resfriado. 38
  39. 39. Fig.3.11 – esquema de uma torre de apagamento à úmido 03.6.6.2 - Apagamento a seco. A CST é a única usina siderúrgica das Américas que emprega apagamento a seco. O processo de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ) se inicia com o desenfornamento do coque incandescente dentro de uma caçamba especial, revestida com placas de ferro fundido e com fundo falso, disposta sobre uma plataforma tracionada por uma locomotiva elétrica. Após o carregamento, a caçamba é conduzida pela locomotiva elétrica até a ponte de içamento e, por meio de um dispositivo de transferência (cremalheira), é posicionada sob 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 a ponte faz a translação com a caçamba ainda cheia parando sobre a tremonha. Ao se baixar a caçamba sobre a tremonha seu fundo falso se abre dando passagem do coque para o interior da câmara. A mesma operação se efetua inversamente para fechar a câmara. O coque incandescente carregado na pré-câmara a uma temperatura em torno de 1050o C, desce para a câmara de resfriamento onde entra em contato com a corrente gasosa ascendente, sendo resfriado. A pré-câmara desempenha duas importantes funções: a - Absorve as variações na alimentação do coque, proporcionando uma geração estável de vapor. 39
  40. 40. b - Homogeiniza as características do coque, retirando o restante de matéria volátil, passando assim por um processo de super coqueificação com permanência de aproximadamente 1 hora. A descarga do coque, com a temperatura em torno de 180o C faz-se na parte inferior da câmara, através do sistema de descarga alternado, e com o compartimento pressurizado com N2, que permite descarregar o coque sem deixar escapar o gás circulante ou gás de resfriamento. O apagamento do coque propriamente dito se processa, soprando o gás de resfriamento na parte inferior da câmara, passa por em sistema de distribuição e sobe em direção a parte superior, absorvendo o calor do coque e atingindo a temperatura de aproximadamente 800o C. O gás é recolhido por 32 canais dispostos em torno da parte superior da câmara, passando por um coletor primário onde as partículas maiores são retidas. A seguir o gás é conduzido para a caldeira onde cede seu calor à mesma, produzindo vapor de 23 Kg/cm² e 350o C que movimenta algumas bombas do CDQ. O gás sai da caldeira já com sua temperatura reduzida a aproximadamente 180o C, passa por um conjunto de ciclones onde são retidas as partículas finas de pó e através do soprador é reconduzido à câmara de resfriamento. O pó retido no coletor e no ciclone é transportado pneumaticamente para um silo. Além do sistema de despoeiramento do gás circulantes descrito acima, existem dois outros que coletam as poeiras geradas no carregamento e na descarga do coque. Desta forma, O coque incandescente de um novo carregamento que é introduzido na câmara de extinção recebe o gás ascendente de nitrogênio numa temperatura abaixo de 160°C. 40
  41. 41. Fig.3.12 – Processo de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ) 03.6.7 - PREPARAÇÃO DO COQUE: Depois de frio, o coque deve ser britado e peneirado a 75 e 20mm. O coque com 20 a 75mm é mandado para o alto forno e o menor que 20mm para a sinterização. 03.6.8 -TRATAMENTO DAS MATÉRIAS VOLÁTEIS: Cerca de 25% da mistura de carvões se transforma em matérias voláteis que, depois de tratadas podem ser usadas na própria usina ou vendidas. A CST aplica um pequeno tratamento as matérias voláteis, de modo que 17% do material enfornado se transforma em gás de coqueria, COG, além do misto, que é uma mistura 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 de equipamentos, podendo passar pelos seguintes processos: Processo de separação do COG e decantação do alcatrão da água amoniacal Processo de resfriamento do COG Processo de precipitação eletrostática de partículas de alcatrão Processo de absorção de amônia. 41
  42. 42. Processo de destilação da amônia e concentração da água amoniacal Processo de combustão da amônia. Processo de absorção de naftaleno e Processo de exaustão de COG O gás de coqueria pode ser empregado nas unidades de aquecimento da própria usina, na produção de energia termoelétrica e vendido para indústrias do ramo dos carboderivados. 42
  43. 43. 03.7 - SINTERlZAÇÃO Como é notório, os principais componentes da carga sólida do alto fomo são o minério de ferro (granulado, e/ou sinter e/ou pelota), coque e fundente (calcário). O uso de sinter autofundente, com propriedades físico-químicas e metalúrgicas definidas, contribui para seu aumento de produtividade, diminuindo, consideravelmente, o consumo de coque e melhorando a qualidade do gusa. Certamente, por esse motivo, a CST tem preferência pelo uso de sinter na carga dos seus altos fornos. 03.7.1 - PRINCÍPIO DA SINTERlZAÇÃO A sinterização consiste em misturar e homogeneizar finos de minérios de ferro (sinter feed), finos de carvão ou coque, finos de fundentes (cal, etc. ) e umidade e fazer a combustão 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 por caldeamento, obtendo-se um material resistente e poroso denominado sinter. Fig.3.13 – Esquema do princípio da sinterização. 03.7.2 - MOVIMENTO DA FRENTE DE COMBUSTÃO Inicialmente, é feita a ignição do carvão contido na superficie da mistura com auxílio de maçaricos 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 falsa grelha, quando a combustão se extingue. Durante a descida da frente de combustão, toda a mistura é aquecida acima de 1200°C, ocorrendo a soldagem das partículas por caldeamento, resultando uma grande bolo de sinter. 43
  44. 44. Fig.3.14 – Esquema mostrando o movimento da frente de combustão. 03.7.3 – REAÇÕES DURANTE A SINTERIZAÇÃO a) Secagem: até 300o C - Vaporização da áqua livre. H2O(l) → H2O(v) b) Desidratação: 400 a 500o C Vaporização da água combinada Ca(OH)2 → CaO + H2O(v) c) Redução superficial do minério de ferro 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 d) Decomposição de carbonatos: 750 a 1150o C CaCO3 → CaO + CO2 e) Formação de silicatos: 600 a 1300o C Al2O3 + SiO2 → Al2O3.SiO2 2CaO + SiO2 → 2CaO.SiO2 Fe2O3 + SiO2 + CO → 2FeO.SiO2 + CO2 2 CaO.SiO2 + 2 FeO.SiO2 → 2(CaO.FeO.SiO2) f) Formação de Cálcio-ferritas: 600 a 1300o C CaO + Fe2O3 → CaO.Fe2O3 CaO + 2Fe2O3 → CaO.2Fe2O3 44
  45. 45. g) Combustão do Coque: 1300o C C + O2 → CO2 C + 1/2O2 → CO h) Formação da magnetita: 3FeO 1/2O2 → Fe3O4 03.7.4 - FLUXOGRAMA DE UMA SINTERIZAÇÃO Sinter Feed Coque Fundentes Água Outros Misturador SINTERIZAÇÃO Falsa grelha (Beding) Birtador primário Resfriador Peneira (50mm) > 50mm Britador secundário < 50mm 20mm Peneiras 10mm 5mm 10 a 20mm 5 a 50mm 5mm Sinter ALTO FORNO 45
  46. 46. O sinter-feed utilizado geralmente é um concentrado de hematita com granulometria abaixo de 10mm, fornecido pela CVRD. Convém informar que os principais minerais de ferro são hematita (Fe2O3), limonita (Fe2O3nH2O), magnetita (Fe3O4) e siderita (FeCO3). 03.7.5 - MÁQUINAS DE SINTERIZAÇÃO As máquinas de sinterização podem ser intermitentes, adequadas a pequenas usinas siderúrgicas ou contínuas, para grandes usinas. Logo a seguir desenharemos um esquema de uma máquina de sinterizar em corte vertical. Fig.3.15 – Esquema mostrando Uma máquina de sinterização intermitente e o avanço e a temperatura da frente de combustão. A chaparia pode ser confeccionada com chapas de aço doce soldadas. A proteção térmica da chaparia pode ser feita com revestimento intemo de refratário sílico-aluminoso ou aluminoso. As barra de grelha podem ser de ferro fundido refratário ou aço refratário, com 25 a 30% de cromo ela 2% de niquel. A falsa grelha é uma camada protetora de sinter com 25 a 35mm de espessura, com granulometria de 10 a 25mm. As funções principais da falsa grelha é impedir a sucção de finos pelo sistema de exaustão e impedir que a frente de combustão atinja as barras de grelha. 46
  47. 47. Fig.3.16 – Corte longitudinal do leito de uma máquina de sinterização contínua Fig.3.17 – Corte Transversal do leito de uma máquina de sinterização contínua Fig.3.18 – Esquema mostrando o sistema de exaustão de uma sinterização contínua tipo Dwight-Lloyd. 03.7.6 - PREPARAÇÃO DO SINTER Depois de resfriado, o sinter deve ser fragmentado e peneirado, de modo que o sinter com granulometria de 5 a 50mm vai para o alto fomo, uma pequena quantidade com granulometria de 10 a 20mm irá formar falsa grelha nos processos seguintes e o sinter menor que 5mm retoma para a preparação da mistura de sinterização. 47
  48. 48. 04 - PROCESSOS DE REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERROS 04.1 - 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 1000oC, 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 1100oC, 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 48
  49. 49. FeO + CO → Fe + CO2 FeO + H2 → Fe + H2O Portanto, as reações de redução no estado sólido (temperaturas entre 1000 a 1200oC) normalmente envolvem os gases redutores CO e H2. O processo de redução direta é um processo altamente viável em países 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 49
  50. 50. Fig.3.19 – Esquema mostrando os diferentes processos de redução direta. 04.2 - 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". 04.2.1 – 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. 50
  51. 51. Fig.4.1 – Esquema mostrando um alto forno e seus principais equipamentos periféricos, como os regeneradores, ventoinhas, sistema de coleta de gases, casa de corrida, correia transportadora principal e carro torpedo. 04.2.1.1 - FERRO GUSA E 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. 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. 51
  52. 52. O gás é limpo (no sistema de limpeza de gases), colocado em uso para diversos fins, tanto "puro" como em mistura com gás de coqueria ou com gás de convertedor. b) Pó de Alto 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. 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). 04.2.1.2 - IMPACTOS AMBIENTAIS GERAIS CAUSADOS PELA ESCÓRIA Como a fabricação de metal necessita de muitos minerais, principalmente o minério de ferro e a sua etapa final é o resíduo escória, a desestabilização do meio ambiente é inerente. Os rejeitos metálicos gerados pela atividade siderúrgica, pela movimentação intensa de caminhões e máquinas e pela própria lixiviação dos montes de escória, são em grande parte acumulados nos sedimentos, devido suas características físicoquímicas, tais como a granulometria fina das partículas e os valores do seu pH, contribui para a precipitação de metais na interface sedimento-água. Alguns bioacumuladores, presentes tanto no sedimento, quanto na água, servem de alimento aos seres humanos, o que implica dizer que os metais podem chegar a eles. O impacto da escória sobre o meio ambiente pode ocorrer de maneira direta ou indireta. O impacto direto ocorre quando a escória está na fase líquida, e o impacto indireto quando a escória está na fase sólida. Na fig.4.2, apresenta-se os impactos da escória, de uma maneira geral. Escória Escória Líquida Vaporização Condensação Escória Sólida Lixiviação Solubização Fig.4.2 – Fluxograma dos impactos ambientais gerais da escória de alto forno. 52
  53. 53. Observando a fig.4.2, percebe-se que a escória produz impacto ambiental direto quando na fase líquida, por meio da vaporização e condensação, que dependem da temperatura e da composição química. O vapor pode conter partículas de óxido, hidróxido, cloreto, sulfato, sulfito, fosfato ou mesmo na forma elementar. Quando a temperatura é alta, entre 1000ºC a 1600ºC o impacto ambiental predominante é a vaporização, quando a temperatura é menor do que 1000ºC, o impacto predominante é a condensação, onde predominam os sulfatos. Os estudos concluem que o impacto ambiental depende da viscosidade da escória, propriedade que é fortemente afetada pela temperatura. Quanto aos impactos indiretos, são a lixiviação e a solubilização. Os ensaios de lixiviação são realizados, visando simular as condições as quais a escória estará submetida, quando estiver estocada. Tal simulação permite avaliar as propriedades específicas das escórias, bem como a saída de um ou mais constituintes da mesma e se ela influenciará a fertilidade do solo, ou provocará algum tipo de contaminação. Existem inúmeros fatores que podem influenciar a relação em que os constituintes são dissolvidos da matriz da escória. Esses fatores são de natureza física, química e biológica, sendo que os fatores de natureza biológica geralmente estão ligados aos fatores químicos. Os principais fatores químicos que influem na lixiviação são: o processo de adsorção, o pH do material, as condições de oxidação-redução, fatores biológicos que afetam o pH, o potencial de lixiviação dos constituintes e a velocidade de saída dos elementos. Os principais fatores físicos, que influem na lixiviação são os seguintes: condições hidrológicas, a permeabilidade da matriz, a porosidade da matriz, a temperatura, o fluxo lixiviante, o tempo de exposição do material, a geometria do material, o tamanho das partículas expostas a lixiviação e a homogeneidade ou heterogeneidade da matriz. Os ensaios de lixiviação disponíveis em grande número se caracterizam pela especificação dos agentes físicos e químicos, tendo todos eles os mesmos princípios básicos podendo sofrer, pequenas variações que os aproxime das condições específicas da sua necessidade. Com relação a solubilização, que é um ensaio que tem por objetivo determinar a concentração dos possíveis elementos ou compostos contaminantes em solução, quando sob condições de saturação, se caracteriza por relações de líquido/sólido baixas, resíduos particulados e por tempo de contato que permita alcançar a condição de equilíbrio químico entre as fases líquido-sólido. Em suma, a solubilização determina o potencial contaminante do material através da integração dos parâmetros químicos e físicos, que são a solubilidade e a porosidade, respectivamente. Outro estudo interessante sobre os impactos ambientais causados pela escória de alto forno, concluiu que as escórias mesmo tendo baixos teores de metais, produzem impactos sobre o solo e sobre as águas subterrâneas, salientando, que se deve conhecer os mecanismos de controle do impacto ambiental e não só o conhecimento científico sobre o resíduo metalúrgico (escória). 53
  54. 54. 04.2.1.3 - 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. 04.2.1.4 – ASPECTOS 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 1000oC, logo no início da zona coesiva ou zona de amolecimento e fusão, a wustita reduz a ferro metálico. 54
  55. 55. 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 Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 ∆H = - 10,33 Kcal/mol ∆H = + 8,75 Kcal/mol Para temperaturas à 900o C ocorre a calcinação do calcário e as seguintes reações: CaCO3 → CaO + CO2 CO + H2O → CO2 + H2 2CO → CO2 + C ∆H = + 43,35 Kcal/mol ∆H = - 9,68 Kcal/mol ∆H = - 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 ∆H = - 3,99 Kcal/mol 55
  56. 56. Fig.4.3 – 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 ∆H = + 43,35Kcal/mol A redução direta que ocorre nesta região é resultado da soma das seguintes reações: FeO + CO → Fe + CO2 CO2 + C → 2 CO FeO + C→ Fe + CO ∆H = - 3,99 Kcal/mol ∆H = + 41,21 Kcal/mol ∆H = + 37,22 Kcal/mol 56
  57. 57. 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 25,6% 8,5% CaO MgO FeO MnO 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.4.4 – Esquema da distribuição de carga dentro da zona de amolecimento e fusão (zona coesiva) em um alto forno. 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 57
  58. 58. 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) 58
  59. 59. Fig.4.5 – 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. 04.2.1.5 - 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. 59
  60. 60. Fig.4.6 – Sistema de carregamento e pressurização do topo de um alto forno com duplo cone, incluindo limpeza de gases (AF1 da CST). Fig.4.7 – Seqüência de carregamento do topo de um alto forno com duplo cone. 60
  61. 61. Fig.4.8 – Sistema de carregamento e pressurização do topo de um alto forno com calha rotativa (AF2 CST). 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.4.6 e 4.8. 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: Se trata 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. 61
  62. 62. 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. Fig.4.9 – Foto de parte do Alto Forno da CST, onde aparece a casa de corrida, anel de vento e conjunto de ventaneiras. 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. 62
  63. 63. Fig.4.10 – Esquema mostrando a separação do gusa e da escória na casa de corrida. 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.4.11 – Esquema mostrando um sistema de injeção de ar pelas ventaneiras do alto forno. 63

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