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Coordenadoria de Recursos Didáticos
Apostila de
SIDERURGIA
da matéria prima ao
aço laminado
Vitória - Janeiro - 2006
COORDENADORIA DE ENGENHARIA METALÚRGICA
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 2
SIDERURGIA
da matéria prima ao
aço laminado
Autor:
Marcelo Lucas Pereira Machado
Engenheiro Metalurgista – UFF – RJ
Doutor em Engenharia Elétrica/Automação – UFES
Mestre em Engenharia Metalúrgica – PUC-RJ
Pós-Graduado em Educação / Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFES
Professor e Coordenador do Curso de Engenharia Metalúrgica do Centro Federal
de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo – CEFET-ES
Vitória -ES
2006
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 3
APRESENTAÇÃO
Este curso siderurgia, objetiva, portanto, apresentar de uma maneira global todos os
processos que se desenvolve em uma siderúrgica, desde as matérias primas como
minéio de ferro, carvão, coque e fundentes, passando pelo processos de preparação
das matérias primas, tais como, sinterização, coqueria, calcinação e pelotizacao.
Dos processos de extração do ferro metálico, consta neste trabalho, alguns processos
de redução direta, tais como, o Midéx e o HyL e processos de redução indireta, tais
como, os fornos elétricos de redução e o alto forno.
Alguns processos de refino primário e secundário são apresentados, entre eles
destaca-se o processo LD e o RH, respectivamente.
A laminação apresentada neste trabalho está voltada para a laminação a quente,
mostrando inclusive os aspéctos metalúrgicos durante a laminação.
Em todos estes processos procura-se utilizar os conceitos de termodinâmica e físico-
química para explicar as razões do funcionamento de muitos processos e confrontar
resultados teóricos com os práticos.
Finalmente, tem-se uma parte deste trabalho que trata da siderurgia e o meio ambiente
onde procura-se relatar os efeito dos gases , resíduos, sucatas, etc gerados por uma
siderúrgica, ao meio ambiente, e o que tem sido feito para minimizar ou até mesmo
eliminar os efeitos nocivos dos mesmos.
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 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.............................................................................................18
02 - VISÃO GERAL DAS MATÉRIAS PRIMAS..............................................................19
2.1 - Introdução...............................................................................................................19
2.2 - Classificação das matérias primas.........................................................................19
2.2.1 - Minérios de Ferro................................................................................................19
2.2.1.1 - Características dos Minérios de Ferro para Sinterização.................................20
2.2.1.1.1 - Características Físicas.............................................................................. ...20
2.2.1.1.2 - Características Químicas......................................................................... ....21
2.2.1.2 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno................................ ...21
2.2.1.2.1 - Características Físicas dos Minérios de Ferro para Alto Forno................ ...22
2.2.3 - Fundentes....................................................................................................... ....22
2.2.4 - Matérias primas de Geração Interna............................................................... ...23
2.3 - Adições............................................................................................................. .....23
2.4 – Pelotas de minério de ferro............................................................................... ....23
2.5 - Carvão Mineral e Vegetal................................................................................... ...24
2.5.1 - Origens e Geologia............................. .............................. ............................ ....24
2.5.2 - Variedades de Carvões................................................................................... ...25
03 - PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS............................... ........................ ....29
03.1 - Recebimento das matérias primas................................................ .................. ...29
03.2 - Calcinação.............................. ......................................................................... ...30
03.3 - Coqueria.............................. ........................................... ................................ ...31
03.3.1- Fluxograma da Coqueria da CST........................... .................................. ... ....31
03.3.2 - Preparação da mistura de carvões........................... ................................... ....32
03.3.3 - Enfornamento.................................. .......................... .................................. ...32
03.3.4 - Aquecimento/Coqueificação............................ .................................. ......... ....35
03.3.5 - Desenfornamento............................ .................................. .......................... ...37
03.3.6 - Apagamento................................................................................................. ....37
03.3.6.1 - Apagamento a úmido........................... .................................. ................. ....37
03.3.6.2 - Apagamento a seco.............................. .................................. ................. ....38
03.3.7 - Preparação do coque..................................................................... .............. ...40
03.3.8 - Tratamento das matérias voláteis.............................. .................................. ...40
03.4 – Pelotização..........................................................................................................42
03.4.1 – Descrição do processo.....................................................................................42
03.4.2 – Pátio de matéria-prima.....................................................................................43
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 5
03.4.3 – Moagem............................................................................................................44
03.4.4 – Espessamento e homogeneização...................................................................45
03.4.5 – Filtragem...........................................................................................................45
03.4.6 – Pelotamento......................................................................................................46
03.4.7 – Queima.............................................................................................................47
03.5 - Sinterização............................................................... .................................. .. ....49
03.5.1 - Princípio da sinterização............................. .................................. .............. ...50
03.5.2 - Movimento da frente de combustão............................. ............................... ....50
03.5.3 – Reações durante a sinterização.............................. .................................... ...51
03.5.4 - Fluxograma de uma sinterização............................. .................................... ...52
03.5.5 - Máquinas de sinterização............................. .................................. ............ ....53
03.5.6 - Preparação do sínter............................. .................................. .................... ...54
04 - PROCESSOS DE REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERROS.. ........................ ...55
04.1- Fundamentos da redução do minério de ferro......................................................55
04.1.1 – Diagrama ferro oxigênio – Fe-O.......................................................................55
04.1.2 – Sistema carbono oxigênio – C-O......................................................................59
04.1.3 – Sistema ferro carbono oxigênio – Fe-C-O........................................................60
04.1.4 – Estudo combinado dos sistemas – C-O e Fe-C-O.........................................63
04.2 - Processos de redução direta............................................................... ........... ....66
04.2.1 - Processo de redução direta midréx...................................................................68
04.2.2 - Processo HyL…………………………...............................................................71
04.3 - Processos de redução indireta....................................................................... .....75
04.3.1 – Forno elétrico de redução/Baixo forno..............................................................75
04.3.2 – Alto forno.............................................................. ....................................... ...79
04.3.2.1 - Ferro gusa e subprodutos............................ .................................. ......... ....79
04.3.2.2 - Corpo principal do Alto Forno............................. ...................................... ....81
04.3.2.3 – Aspectos internos do Alto Forno.............................. ................................ ....81
04.3.2.4 - Periféricos do Alto Forno............................................................................ ...86
04.3.2.5 – Potencial de oxigênio / diagrama de Ellinghan............................................. 93
04.3.2.5.1 – Potencial de oxigênio em um reator...........................................................99
05 – PROCESSOS DE REFINO DO AÇO........................................... ......................106
05.1 – análise termodinâmica das reaçoes de refino...................................................106
05.2 - Dessulfuração ....................................................................... ........................ ...112
05.2.1 – Reações na dessulfuração........................................................... ............. ...112
05.3 - Produção do aço no convertedor.................................................................... ..114
05.3.1 -Processos de sopro pneumático.................................. ...................................114
05.3.1.1 - Processos de sopro a oxigênio................................. ..................................116
05.3.1.1.1 - Convertedor LD.............................................................. ...................... ...118
05.3.1.1.2 - Convertedor LD-KGC............................ .................................. .......... .....123
05.3.1.1.3 - Convertedor K-BOP e Q-BOP............................ ............................... ......124
05.4 - Refino secundário............................... .............................. ......................... ......125
05.4.1 - Definição...................................................................................... ....... ...........125
05.4.2 - Classificação dos processos..................................................................... .....126
06 - LINGOTAMENTO CONTÍNUO................................................. ........................ ...132
06.1 - Características................................ ............................ ............................... ......132
06.2 - O processo de lingotamento contínuo............................ ............................. .....133
06.3 - Operação................................ ............................ ........................................ .....134
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 6
06.4 - Importância do controle do processo nas propriedades metalúrgicas...............136
06.5 – Comparação entre os rendimentos no lingotamento convencional e contínuo.137
07 - FORNOS DE AQUECIMENTO.................................................. ...................... ...138
07.1 - Classificação dos fornos de reaquecimento............................... .......................139
07.1.1 - Fornos descontínuos ou intermitentes....................................................... ....139
07.1.2 - Fornos contínuos.................................. ............................ ...................... ......140
07.2 - Produção.................................. .......................... .................................. ..... .....143
08 - LAMINAÇÃO......................................................... ........................................ ......144
08.1 - Definições dos produtos laminados............................ .................................. ....146
08.1.1 - Classificação dos produtos semi-acabados........................... .................. .....147
08.1.2 - Classificação dos produtos acabados....................................................... .....147
08.2 - Classificação dos laminadores..................................................................... .....149
08.3 - Órgãos mecânicos de um laminador........................... ............................... ......156
08.4 – Laminação a quente.................................................................................... .....161
08.4.1 – Laminação de tiras a quente.................................................................... .....163
08.4.2 - Aspéctos metalúrgicos na laminação da laminação a quente.........................169
09 – DECAPAGEM ............................................... ......................................................176
09.1 - Constituição da camada de óxido .....................................................................176
09.2 - Decapagem com ácido sulfúrico e clorídrico .....................................................177
09.3 – Inibidores ............................................... ..........................................................177
09.4 – Decapagem contínua .............................................. .........................................178
09.5 – Limpeza da superfície por meios mecânicos ....................................................180
10 – LAMINAÇÃO A FRIO ............................................... ..............................................181
10.1 - Processos de laminação ....................................... ...............................................182
10.7 – Laminação de chapa fina ............................................ .........................................185
10.9 – Laminadores de encruamento e acabamento..................... .....................................186
10.10 – Processo de laminação a frio da usina Vega do Sul ..............................................186
10.10.1 – Etapas da produção ............................................... .........................................188
10.10.2 – Decapagem, laminação a frio, recozimento e encruamento .................................188
10.10.3 – Galvanização .......................................... .......................................................191
11 - A SIDERURGIA E O MEIO AMBIENTE......................... ......................................193
11.1 – Introdução..........................................................................................................193
11.2 - Resíduos Siderúrgicos e Reciclagem.................................................................195
11.3 - Escórias Siderúrgicas: Altos-Fornos e Aciarias..................................................197
11.4 – Refratários.........................................................................................................198
11.5 – Sucatas..............................................................................................................199
11.6 - Consumo de energia elétrica numa usina siderúrgica................................. .....201
12 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................ ......................... .................. ........202
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 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, pensando-
se, na ocasião, que eram reservas inesgotáveis, a ponto de uma pessoa ilustre
denominar Minas Gerais de peito de ferro das Américas. Apesar de tão grande
potencial, Portugal impediu o desenvolvimento da siderurgia brasileira durante o
período colonial.
Durante o período do Brasil Império, ocorreram algumas iniciativas importantes
relacionadas com a produção de metais, porém, não consolidaram.
Um fato histórico notável foi a entrada do Brasil na Segunda grande guerra, no bloco
dos Aliados, quando recebemos acessoria americana para a implantação da CSN,
empresa que consolidou nosso país como produtor de aço.
A consolidação do parque siderúrgico nacional foi liderado pela SIDERBRÁS durante o
governo militar, que construiu e ampliou as grandes usinas siderúrgicas estatais para
darem sustentação a todo o parque industrial brasileiro. Entre elas destaca-se a CSN,
COSIPA, USIMINAS, Cia. Ferro e Aço de Vitória, CST e AÇOMINAS. A seguir
mostraremos algumas figuras que ilustram esse período histórico.
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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.
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 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
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fundidos.
A melhor maneira de se entender a diferença entre aços e ferros fundios é fazermos
uma rápida análise do diagrama ferro-carbono.
01.3.1 - DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO – CARBONO
Esse diagrama é geralmente apresentado até 6,7% de carbono, porque este elemento
forma com o ferro o composto Fe3C (cementita) que é extremamente duro e contém,
aproximadamente, 6,7% de carbono.
Fig.1.6 – Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono
Como pode ser visto no diagrama Fe-C., o ferro puro (isento de carbono), apresenta-se
até 912o
C sob a forma alotrópica alfa (α) e acima de 912o
C até 1354o
C no estado
alotrópico (γ). Essas formas alotrópicas se caracterizam por possuírem reticulados
cristalinos diferentes para os átomos de ferro: o ferro α possui reticulado cúbico de
corpo centrado (CCC) e o ferro γ possui reticulado cúbico de face centrada (CFC).
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 11
A fig.1.7 mostra os reticulados cristalinos dos átomos de ferro nas formas alotrópicas
CCC e CFC. Observa-se que a estrutura CCC possui somente um átomo de ferro no
centro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui átomos de ferro
no centro das faces do reticulado.
Fig.1.7 – Esquema mostrando as estruturas cristalinas cúbicas de corpo centrado CCC
e de face centrada CFC.
Nota-se também no diagrama Fe-C que à medida o teor de carbono aumenta até o
limite de 0,77%C obtêm-se a estrutura austenitica (Fe γ) a temperaturas cada vez mais
baixas até o limite de 727o
C. Esta faixa de teor de carbono de 0 a 0,77%C é onde se
situa praticamente todos os aços comercialmente utilizados no mundo.
Os átomos de carbono ocupam os espaços vazios dos reticulados de átomos de ferro e
como pode ser observado na fig.1.6, a fase austenítica (estrutura CFC) tem capacidade
para absorver mais carbono do que a fase ferrítica (estrutura CCC).
A estrutura CFC devido ao seu formato de empilhamento é muito mais fácil de ser
deformado do que a estrutura CCC. Desta forma, para se laminar a quente um aço,
deve-se primeiro alcançar a estrutura austenítica, ou seja: conforme o teor de carbono,
aquecer o aço em torno de 800 a 880o
C, para em seguida fazer a deformação no
laminador. Desta forma, economiza-se energia, equipamentos, tempo, e viabiliza
economicamente o produto além de poder conferir boas propriedades mecânicas e
metalúrgicas ao aço posteriormente ou durante a laminação.
Para se ter uma idéia da facilidade de deformação de um metal com estrutura cristalina
CFC, o chumbo é um material que possui esta estrutura na temperatura ambiente e o
ferro por outro lado, na temperatura ambiente possui estrutura CCC.
Como o aço é um material produzido para ser deformado, ele deve no aquecimento
produzir uma estrutura totalmente austenítica, ou seja, deve possuir teor de carbono
inferior a 2%, como pode ser visto no diagrama Fe-C. Apesar de na prática, os aços
comerciais não ultrapassam a 0,8%.
Por outro lado, os ferros fundidos são produzidos já no formato da peça final, portanto
não sofrerão deformações posteriores, o seu teor de carbono está acima de 2%.
Então, por definição os aços são produtos siderúrgicos com menos de 2%C,
usualmente, obtidos em convertedores pelo refino do ferro gusa. Existem centenas de
tipos de aços, podendo-se destacar as seguintes famílias:
Aços carbono comuns, Aços micro-ligados, Aços ligados de baixa liga, Aços de alta
Estrutura Estrutura
CCC CFC
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liga: Inoxidáveis ferríticos, inoxidáveis austeníticos, para ferramentas e matrizes, etc.
Os ferros fundidos são produtos siderúrgicos primários, geralmente, produzidos em
altos fomos. Teoricamente seu teor de carbono está acima de 2%; contudo, na prática
a maioria dos ferros fundidos tem de 4 a 4,3%C. Exemplos de ferros fundidos:
Ferros fundidos brancos, ferros fundidos cinzentos, ferros fundidos maleabilizados,
ferros fundidos nodulares, etc.
01.4 - CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS
Os aços podem ser classificados com base em diferentes parâmetros, tais como
dureza, aplicações, normas técnicas, etc.
De acordo com a dureza, os aços se dividem nos seguintes grupos:
• Aços extra-doces: Abaixo de 0,15%C,
• Aços doces: 0,15 a 0,30%C,
• Áços meio-doces: 0,30 a 0,40%C,
• Aços meio-duros: 0,40 a 0,60%C,
• Aços duros: 0,60 a 0,70%C, e
• Aços extra-duros: Acima de 0,70%C.
Como se pode deduzir pelos dados acima, as durezas dos aços dependem dos seus
respectivos teores de carbono.
Há dezenas de normas técnicas sendo que são usadas na classificação dos aços,
contudo, nesse trabalho, citaremos apenas alguns exemplos da classificação de aços
pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).
Parte da Tabela da ABNT
Tipo do Aço Classe
Aço carbono comum I0XX
Aço níquel (3,5%) 23XX
Aço Níquel-cromo 3YXX
Aço cromo(0,95%)-molibdênio(0,2%) 41XX
Aço cromo 51XX
Outros
Pela ABNT, os dois primeiros dígitos indicam o(s) elemento(s) de liga existente(s) no
aço, além do carbono. O número decimal expresso na posição do XX se refere à
porcentagem de carbono contido pelo aço. Exemplos:
Aço ABNT 1010: aço carbono comum com aprox. 0,1%C.
Aço ABNT 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.
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 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
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 14
quantia de R$1.800.000.000,00. Como se pode deduzir, nesse caso, há uma ampliação
de receita acima de R$1.500.000.000,00, além de solucionar parte do problema do
desemprego.
01.6 - FLUXOGRAMAS DE USINAS SIDERÚRGICAS
Fluxograma é uma representação gráfica que indica o caminho percorrido pelas
matérias primas, suas transformações e, finalmente, a entrega dos produtos que se
propõe produzir.
As usinas siderúrgicas podem ser integradas, semi-integradas e não-integradas.
As usinas siderúrgicas integradas adquirem as matérias primas no estado bruto,
executam todas as fases do processo industrial e vendem os produtos acabados.
Em princípio, quanto maior for o grau de integração de uma usina, mais competitivo se
tomam seus produtos no mercado. Geralmente, são usinas de grande porte, que
exigem investimento muito elevado antes de entrarem em operação. Quando não há
capital suficiente, uma usina pode iniciar sua produção como usina não integrada e, à
medida que vai aumentando seu capital, pode passar a semi-integrada e, finalmente,
totalmente integrada.
01.6.1 - FLUXOGRAMA REDUZIDO DE USINAS INTEGRADAS
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.
Ling. contínuo, laminação, fundição
Matérias Primas
Preparação das matérias primas
Extração do metal
Elaboração
Conformação
Produto final acabado
Sinterização, pelotização, etc
Alto-forno, etc
Aciaria, refino secundário, etc
Perfiz, vergalhões, Tiras, chapas
Minérios, carvões, fundentes, etc
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 15
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.
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.
ALTO FORNO
Minério granuladoCarvão vegetal Fundentes
Ar
Gusa sólido
Gusa líquido
vendas
Poeiras e gases
Escória
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FLUXOGRAMA DA SIDERÚRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMÉRICA
01.6.4 - CICLO OPERACIONAL DA CST
Normalmente, uma usina siderúrgica integrada como a CST, é constituída, além do Alto
Forno para a produção de ferro gusa, de outras unidades beneficiam as matérias
primas básicas utilizadas no processo, unidades que produzem insumos para consumo
em outras unidades e unidades que completam o processo, dando como resultado final
o aço, constituído elementos acabados ou semi-acabados, como é o caso da CST, que
produz placas grossas de aço para utilização em outras usinas de beneficamento e
laminados de tiras a quente.
As principais unidades que compõem a CST são:
• Pátio de estocagem e mistura de carvão para a produção de coque;
• Pátio de estocagem de minério e fundentes onde ocorre a produção da mistura dos
materiais necessários à produção de sinter consumido no Alto Forno.
Alternativamente à utilização do sinter, pode-se ter o consumo de pelotas capaz de
substituir o sinter em parte ou integralmente;
• Coqueria que produz o coque para a composição de carga do Alto Forno
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
Sucata OxigênioFundentesGusaFerros-ligas
Aciaria Elétrica Escória
Poeiras e gases
Aço líquido
Lingotamento contínuo
Lingotes
Trefilação
Perfiz e
vergalhões
Laminação
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é o COG - gás de coqueria, que é um rico a combustível utilizados em várias
unidades da usina, principalmente no Alto Forno;
• O processo pode substituir, em parte, o coque por carvão pulverizado, que é
injetado na parte inferior do Alto Forno (na região das ventaneiras). Este será o
caso do Alto Forno II, que consumirá grande parte de carvão pulverizado que será
produzido na unidade de PCI;
• Sinterização, que é a unidade de produção do sinter consumido no Alto Forno como
é o caso atual da CST. O sinter é produzido na máquina de sinter utilizando minério
de ferro bitolado, minério de manganês, fundente constituído de finos de calcário e
combustível constituído de finos de coque e o COG, que tem também é utilizado.
• Utilidades: sob esta denominação são consideradas várias unidades que produzem
insumos complementares para o consumo em outros unidades da usina. Desta
forma, tem-se a casa de força para a geração de eletricidade, vapor e ar soprado,
onde é utilizado o gás do Alto Forno juntamente com o de coqueria (BFG+COG).
Ainda sob denominação de utilidades, tem-se a unidade de fracionamento de ar,
que produz oxigênio e nitrogênio utilizados em várias unidades do processo
industrial (Alto Forno, Sinterização, Coqueria, Lingotamento, Dentre outras
unidades). Estação de tratamento de água (ETA) e recirculação, que promove o
reaproveitamento, em circuito fechado, da maior parte da água doce utilizada.
Unidade de ar comprimido que alimenta várias unidades com ar, também é
utilizado no processo de fracionamento de ar, também utilizado no resfriamento de
vários elementos envolvidos no processo industrial;
• Calcinação, que utiliza o calcário para produção de cal, consumida na Aciaria e na
Sinterização;
• Aciaria, que produz o aço a partir do ferro gusa (processo de oxidação em
convertedores LD);
• Unidade de lingotamento ( contínuo ) que promove a moldagem do produto final
(placas) que podem ser enviadas para o cliente ou alimentar a laminação de tiras a
quente.
• Unidade de Laminação de Tiras a Quente, onde a placa após reaquecimento em
forno de placa é encaminhada ao trem de laminação a quente onde sofre a devida
conformação, tendo como produto final a bobina de tira a quente, que pode ser
utilizado como produto comercial, após passar pela laminação de acabamento ou
destinado para o cliente para alimentar o trem de laminação a frio.
• Sistema de lavagem e limpeza de gases utilizados nas demais unidades, cujos
gases apresentam níveis de contaminação que necessitam ser minimizados antes
de serem utilizados no próprio processo (COG e BFG).
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01.7 – FLUXOGRAMA DA CST.
Laminação de tiras à quente
Sinter feed Carvão mineral
Sinterização Coqueria Matérias Voláteis
Sinter
Coque Minério granulado
Pelotas
Escória
Calcário
Alto-Forno
Oxigênio
Ar
Cal
Poeiras
Gases
Gusa líquido
Dessulfuração
Convertedor
Fundição
Peças
Ferro-ligas
Escória
Aço líquido
Poeiras
Gases
Sucatas
Refino secundário
Lingotamento contínuo
Placas
Tiras Expedição
Calcinação
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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. 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 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).
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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.
2.2.1.1 - 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.
2.2.1.1.1 - 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.
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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 o
C, 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.
2.2.1.1.2 - 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.
2.2.1.2 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno:
A carga metálica do Alto Forno a Coque é normalmente composta de:
- Sinter;
- Pelota;
- Minério granulado.
O minério de ferro normalmente participa numa proporção que pode variar de 5% até
20% dependendo muito da usina e da situação. Basicamente um minério para Alto
Forno deve apresentar:
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- Alto teor de ferro
- Baixos teores de fósforo, álcalis e enxofre.
No caso do fósforo, cerca de 100% vai para o gusa, além disso, estima-se que 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.
2.2.1.2.1 - 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.
2.2.3 - 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.
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2.2.4 - 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
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).
2.3 - 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.
2.4 – Pelotas de Minério de Ferro
As jazidas de minério de ferro contêm, in situ, em porcentagens variáveis, uma parcela
de finos (abaixo de 6mm). Além disso, durante a lavra do minério de ferro, a sua
classificação em diversas granulometrias e o seu manuseio e transporte, é gerada uma
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quantidade elevada de partículas finas e ultrafinas, cuja aplicação direta na indústria
siderúrgica é impraticável, porque tornaria a carga pouco permeável à passagem dos
gases ascendentes, dificultando em muito a operação nos altos-fornos.
Por outro lado, a separação da parcela final, como rejeito, provocaria:
- diminuição do rendimento da lavra
- aumento do custo do produto
- perdas nas reservas de minério
Com propósito de elevar o rendimento da mina e melhorar a economicidade global do
sistema, surgiram os processos aglomeração, cujo objetivo seria agregar em pedaços
de tamanho adequado uma infinidade de minúsculas partículas de minério que
reunissem características de qualidade compatíveis com sua utilização nos processos
siderúrgicos.
Os meios empregados para proceder à aglomeração envolvem, em geral, o
processamento térmico a altas temperaturas. Assim ,tiveram origem os processos de
sinterização, no final do século passado, e o de pelotização, no início do atual.
A sinterização se encarregou de uma parcela dos finos. Esse processo, porém,
mostrou-se inapropriado à absorção da outra parcela, a de ultrafinos. Para absorvê-Ia
foi idealizado o processo de pelotização. Com esses dois processos - o de sinterização
e o de pelotização - todos os finos gerados na mineração puderam ser aglomerados
em tamanhos convenientes, o que permitiu sua aplicação direta nos altos-fornos.
A pelotização é, assim, um processo de aglomeração, cuja finalidade é agregar, com o
recurso de um processamento térmico, a parcela ultrafina do minério em esferas de
diâmetros adequados (entre 8 e 18 mm), com características de qualidade que
2.5 - Carvão Mineral e Vegetal
2.5.1 - 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
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 25
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.
Estimativas de geólogos indicam que as temperaturas às quais foi submetida à matéria
vegetal fóssil variam entre 100o
C a 600o
C 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.
2.5.2 - 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.
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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, encontrando-
se 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. Recém-
extraídas, são consideravelmente mais úmidas, com 80 a 90% de água; secas ao ar,
contém ainda de 15 a 30% de água de embebição. Nesta condição, têm peso 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.
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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 micro-
organismos 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
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 1.000o
C) 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
Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 28
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.
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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
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.
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.
PENElRAMENTO
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São operações feitas em classificadores geométricos, denominados peneiras ou
grades vibratórias, com o fim de separar cada grupo das matérias primas conforme
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.
03.2 - 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
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
Queimadores1250o
C
Cal
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carbonatos, sendo possível produzir cal calcítica e/ou cal dolomítica. A coleta da cal
produzida ocorre na extremidade inferior do forno.
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.
03.3 – COQUERIA:
Coqueria é a unidade industrial que transforma mistura de carvões minerais em coque.
O coque metalúrgico é empregado nos altos fornos, onde pode atuar 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.
03.3.1- FLUXOGRAMA DA COQUERIA DA CST.
Alto Forno
Mistura de carvões
Gás bruto ( matérias voláteis)
(25%)
Bateria de coque
Britador Usina de subprodutos
Classificador
Coque grosso ( > 75mm)
(75%)
Coque fino ( < 0,25mm)
Coque Bitolado
( 20 - 75mm) Sinterização
Piridina (0,01%)
Óleos leves (1,22%)
Gás de coqueria (17%)
Sulfato de amônia (1,2%)
Alcatrão (5,3%)
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03.3.2 - 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.
03.3.3 – 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.
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1- Correia transportadora 4- Fornos (retortas) 7- Duto de matérias voláteis
2- Silo principal 5- Rampa de descarga
3- Carro alimentador 6- Vagão de apagamento
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.
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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.
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Fig.3.7 – Esquema de um forno com duplo par de canais.
Fig.3.8 – Esquema do processo de coqueificação.
03.3.4 - 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
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características adequadas a uma destilação (aquecimento em ausência de ar). Esta
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 semi-
coque. 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.
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03.3.5 - 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
03.3.6 - APAGAMENTO
O coque deve ser apagado imediatamente, para impedir sua queima, o que pode ser
feito a úmido ou a seco.
03.3.6.1 - 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.
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Fig.3.11 – esquema de uma torre de apagamento à úmido
03.3.6.2 - Apagamento a seco.
A CST é a única usina siderúrgica das Américas que emprega apagamento a seco.
O processo de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ) se 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:
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a - Absorve as variações na alimentação do coque, proporcionando uma geração
estável de vapor.
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.
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Fig.3.12 – Processo de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ)
03.3.7 - PREPARAÇÃO DO COQUE:
Depois de frio, o coque deve ser britado e peneirado a 75 e 20mm. O coque com 20 a
75mm é mandado para o alto forno e o menor que 20mm para a sinterização.
03.3.8 -TRATAMENTO DAS MATÉRIAS VOLÁTEIS:
Cerca de 25% da mistura de carvões se transforma em matérias voláteis que, 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
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Processo de precipitação eletrostática de partículas de alcatrão Processo de absorção
de amônia.
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.
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03.4 - PELOTIZAÇÃO
O desenvolvimento da pelotização até os nossos dias baseou-se numa série de
fatores, entre os quais seria oportuno destacar os seguintes:
1. O sucesso alcançado pelos norte-americanos na concentração e aglomeração (por
pelotamento) de seu minério de baixo teor metálico, o taconito.
2. As perspectivas de exaustão das reservas de minério de alto teor.
3. A melhoria dos índices operacionais dos altos-fornos com o emprego de
aglomerados, substituindo-se gradativamente os minérios naturais.
4. A racionalização do aproveitamento dos finos de minério de ferro, oriundos da lavra,
do peneiramento e do manuseio.
5. A participação de novos fornecedores de minério no mercado internacional, que
tornou a competição mais acirrada e exigiu melhor qualidade das matérias-primas.
6. A evolução da técnica de operação dos altos-fornos, sobretudo no que se refere ao
cuidado na preparação da carga.
Esses fatores, evidentemente, não atuaram de forma isolada, mas houve influência
simultânea de vários deles no decorrer dos últimos trinta anos.
03.4.1 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO
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
necessárias exigidas pelo mercado consumidor.
De forma genérica, o processo de pelotização nas usinas de a Tubarão apresenta três
fases distintas:
- Preparação da matéria-prima
- Formação de pelotas cruas
- Processamento térmico.
A preparação da matéria-prima consiste em processar o minério recebido das minas,
de modo a lhe dar características necessárias para se fazer a pelota crua. Incluem-se
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nesta fase as seguintes operações: recuperação de matériaprima do pátio, moagem,
espessamento/homogeneização, filtragem.
A formação da pelota crua, fase chamada pelotamento, é uma das mais importantes. É
a transformação do minério, já pulverizado e misturado com o aglomerante, a uma
determinada umidade, em pelotas cruas.
O processamento térmico, feito no forno de grelha contínua, permite, pelo aumento
gradativo de temperatura, dotar as pelotas de uma alta resistência física e de
propriedades metalúrgicas apropriadas para utilização nos altos-fornos.
Descreveremos a seguir, com alguns detalhes, as diferentes etapas do processo de
pelotização.
03.4.2 – PÁTIO DE MATÉRIA-PRIMA
O empilhamento da matéria-prima (pellet-feed) é feito por uma "empilhadeira móvel",
com capacidade de 6.000t/h, que deposita os diferentes tipos de minério em 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 a
capacidade média do pátio de cada usina é de 200 mil toneladas.
O controle da composição químjca e granulométrica da pilha de alimentação é feito
com auxílio de computador. O resultado das análises químicas e granulométricas de
cada trem de 10.000 t é comunicado ao sistema de computação que informa, por sua
vez, qual o teor médio que deverá ter o próximo trem para manter a pilha dentro dos
limites especificados.
A alimentação da usina processa-se a partir de uma recuperação de caçambas, com
capacidade de 1.400t/h, que transfere o pellet-feed para os silos de alimentação dos
moinhos, mediante um sistema de correias transportadoras.
O sistema foi projetado de tal modo que o conjunto de operações de estocagem e
recuperação conduz à perfeita homogeneização dos diferentes tipos de minério
constituintes da pilha.
Recentemente, passou-se a acrescentar calcário e carvão ou minério, antes de seu
encaminhamento aos moinhos.
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Fig.3.13 - Empilhamento de pellet feed.
03.4.3 – MOAGEM
A moagem dos finos de minério de ferro é feita a úmido, em circuito fechado, em duas
linhas paralelas de moagem, com capacidades individuais de 225t/h.
Cada linha compreende um silo com a capacidade de 900t, uma mesa alimentadora,
uma correia transportadora dotada de balança, um moinho de bolas e um grupo de hi.
drociclones de 500 mm de diâmetro.
Da mesa alimentadora, o minério cai numa correia de alimentação do moinho de 5 m
de diâmetro x 10m de comprimento, girando a 12,6rpm, o equivalente a 68% de sua
velocidade crítica.
Cada moinho tem uma carga de 300 t de corpos moedores (bolas). A porcentagem de
sólidos no moinho, que é mantida com adição de água na entrada, é de 70%.
Antes de a polpa moída ser encaminhada ao espessador, ela passa por um grupo 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 alimentação dos ciclones exige uma porcentagem de sólidos da ordem de 45%;
assim, na saída do moinho adiciona-se mais água, e essa polpa, constituída de água,
minério e, eventualmente, calcário e carvão, é bombeada para o grupo de
hidrociclones, onde é feita a classificação: a parcela do material suficientemente fino,
abaixo de 325 mesh, é conduzida ao espessador; o resto retorna ao moinho para
remoagem.
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03.4.4 – ESPESSAMENTO E HOMOGENEIZAÇÃO
A polpa procedente dos hidrociclones, com cerca de 20% de sólidos, é recebida em um
espessador com 50m de diâmetro, com a finalidade de aumentar a porcentagem de
sólidos e recuperar a água para retorno ao processo. Do espessador, a polpa, agora
com 70% de sólidos, é bombeada para tanques de homogeneização com capacidade
de 1200 m3
.
Agitadores rotativos no interior de cada tanque mantêm os sólidos em suspensão e
auxiliam a homogeneização da polpa, minimizando as variações das características
físicas e químicas do material.
A água de transbordamento no espessador é reconduzida aos moinhos por um sistema
de tanque e bombas de recalque. Do tanque, a polpa é bombeada para a seção de
filtragem, através de uma bomba de velocidade variável. Um sistema de controle por
radiação, que comanda a velocidade da bomba, controla automaticamente a
porcentagem dos sólidos.
Fig.3.14 - Espessador e tanques de homogeneização da CVRD.
03.4.5 –FILTRAGEM
A operação de filtragem tem por finalidade reduzir a umidade da polpa proveniente dos
tanques de homogeneização.
A filtragem a vácuo é feita em nove conjuntos de filtros a disco, de eixo horizontal.
Cada conjunto é composto de 10 discos em paralelo, de 2,5 m de diâmetro, cuja
finalidade é reduzir a água da polpa de 30% para 8,7%. Após esta operação, a polpa é
denominada polpa retida.
A essa polpa retida mistura-se usualmente uma determinada quantidade de cal
hidratada (cerca de 20 a 30 kg/t) ou de bentonita (5 a 6 kg/t), que exercerão o papel de
aglomerante no processo de pelotamento.
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A uniformização da mistura é realizada em misturadores cilíndricos rotativos, que
recolhem a produção de polpa retida dos filtros. Em seguida, a mistura é endereçada
aos discos de pelotamento, por meio de transportadores de correias.
A seguir, a “polpa retida” será transportada por correias transportadoras até os silos
dos discos de pelotamento.
03.4.6 – PELOTAMENTO
É a formação da pelota crua, que ainda não recebeu o tratamento térmico. A
importância da fase de pelotamento se deve ao fato de que uma boa qualidade da
pelota crua é fundamental para a fase seguinte. Faz-se o pelotamento em discos com
7,5m de diâmetro, que giram a 16rpm com uma inclinação de 48° a 550
e com
capacidade de processamento de 120t/h de “polpa retida”. A polpa vai ao disco por
meio de um sistema de silo dosador, balança e desagregador.
Com uma umidade bem determinada, por ação do aglomerante e da capilaridade,
formam-se pequenos núcleos esféricos, que vão crescendo pelo efeito de "bola de
neve". Quando a pelota chega a um determinado diâmetro, entre 8 e 18mm, ela sai
automaticamente do disco, caindo numa correia receptora.
Essas pelotas, chamadas pelotas cruas, apresentam pouca resistência quando
manuseadas; por isso, são levadas ao forno por correia de baixa velocidade,
observando-se pequenas quedas nas transferências. Na entrada do forno uma peneira
de rolos elimina a parcela menor que 6 mm, que retorna ao processo.
Essa peneira de rolos é alimentada por um transportador especial, o qual permite
regular a distribuição das pelotas na entrada do forno, de modo a manter uniforme a
altura da camada na grelha.
Fig.3.15 - Disco de pelotamento.
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03.4.7 – QUEIMA
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.
O forno onde é feito o tratamento térmico da pelota crua é constituído por uma grelha
contínua, sistema Lurgi-Dravo, semelhante a uma grelha de sinterização, com
dimensões de 3,5m x 129m.
Nesse processo térmico, as pelotas adquirem alta resistência mecânica e
características metalúrgicas apropriadas para utilização no alto-forno.
O forno é dividido em cinco setores, correspondendo às fases:
• secagem ascendente
• secagem descendente
• preaquecimento e queima
• pós-queima
• resfriamento
Nas secagens ascendente e descendente, a camada de pelotas cruas de 42 cm recebe
um fluxo de gases quentes, resultando em total eliminação de água livre; a temperatura
chega a 300o
C.
Em seguida, a pelota crua entra na região de pré-queima e na de queima, onde
queimadores colocados nas partes laterais aumentam a temperatura gradativamente,
até atingir 1350o
C.
Saindo dessa fase, as pelotas recebem um fluxo de ar frio que provoca seu
resfriamento até cerca de 100°C, na descarga do forno. Esse ar se aquece e é usado
na.zona de secagem e queima, recuperando parte do calor.
A fim de se proteger a grelha e de se obter melhor permeabilidade da carga,
fundamental para uma boa queima, as pelotas cruas não são carregadas diretamente
sobre a grelha, mas sobre uma camada recirculante de pelotas já queimadas com 8 cm
de espessura. Também as laterais da grelha são protegidas por esse tipo de camada.
Ventiladores de grande volume (40.000 Nm3
/min.) são responsáveis pelo fluxo do ar e
de gases nas diferentes fases do forno.
As pelotas descarregadas do forno são levadas a uma peneira, que elimina a parcela
abaixo de 5mm (cerca de 1,5%). Essa peneira permite também separar a parte do
produto que é recirculada através da camada de forramento.
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.
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1 - Pelotas cruas 5 - Secagem
descendente
9 - Resfriamento I 13 - Ar frio
2 - Alimentador de
rolos
6 - Pré-queima 10 - Resfriamento II 14 - Pelotas para
forramento
3 - Grelha 7 - Queima 11 - Tubulão de
recuperação
15 - Produção
4 - Secagem
ascendente
8 - Pós-queima 12 - Caixas de vento 16 - Finos
Fig.3.16 - Esquema de um forno de pelotização.
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Fig.3.17 - Fluxograma do processo de pelotização da CVRD.
03.5 - 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.
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03.5.1 - 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.3.18 – Esquema do princípio da sinterização.
03.5.2 - 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.
Fig.3.19 – Esquema mostrando o movimento da frente de combustão.
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03.5.3 – 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
g) Combustão do Coque: 1300o
C
C + O2 → CO2
C + 1/2O2 → CO
h) Formação da magnetita:
3FeO 1/2O2 → Fe3O4
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03.5.4 - FLUXOGRAMA DE UMA SINTERIZAÇÃO
Sinter Feed
Coque Fundentes Água Outros
Misturador
SINTERIZAÇÃO
Birtador primário
Resfriador
Peneira (50mm)
< 50mm
> 50mm
Britador secundário
20mm
Peneiras 10mm
5mm
Sinter ALTO FORNO
5mm
5 a 50mm
10 a 20mm
Falsa grelha (Beding)
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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).
03.5.5 - 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.3.20 – 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.
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Fig.3.21 – Corte longitudinal do leito de uma máquina de sinterização contínua
Fig.3.22 – Corte Transversal do leito de uma máquina de sinterização contínua
Fig.3.23 – Esquema mostrando o sistema de exaustão de uma sinterização contínua
tipo Dwight-Lloyd.
03.5.6 - 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.
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04.2 - PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETA
O processo de obtenção do ferro consiste basicamente na redução dos seus óxidos por
meio de um combustível carbonoso redutor, em geral coque, carvão vegetal ou mineral.
Para que as reações de redução dos óxidos de ferro ocorram em velocidades rápidas,
é necessário temperaturas acima de 1000o
C, onde obtemos o ferro por redução
indireta ou por redução direta.
Processos de redução direta são aqueles nos quais a redução do minério de ferro a
ferro metálico é efetuada sem que ocorra, em nenhuma etapa do processo, a fusão da
carga no reator.
A redução no estado sólido de minério de ferro por carvão é praticada desde a
antigüidade, tendo sido o principal processo de obtenção de ferro até o
desenvolvimento dos altos fornos. Assim, o produto metálico é obtido na fase sólida,
sendo chamado de “ferro esponja”.
O ferro esponja é um produto metálico com 85 a 95% de ferro e de 0,1 a 1,0% de C,
podendo chegar a 2,0% de C. Tem aspecto esponjoso e é obtido no estado sólido à
temperatura em torno de 1100o
C, a preços relativamente reduzidos se comparado a
grandes siderúrgicas.
Em geral, o ferro esponja é utilizado em fornos elétricos a arco em substituição à
sucata para obtenção do aço, onde a sua característica vantajosa é a sua
superioridade em relação à sucata em termos de pureza (elementos de liga contidos na
sucata podem dificultar o atendimento à especificação do aço a ser produzido).
Os processos de redução direta podem ser divididos conforme o tipo de redutor, em
duas classes: redutor sólido (carvão ou coque) ou redutor gasoso (gás natural-CH4
e/ou gases redutores como CO, H2).
Reações de reforma ou enriquecimento do gás redutor utilizado para reutilização no
reator, normalmente feitos em reatores separados do reator de redução dos minérios.
CO2 + C → 2CO
H2O + C → H2 + CO
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2
CH4 + H2O → CO + 3H2
Reações de redução do minério de ferro no reator de redução.
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
Fe3O4 + H2 → 3FeO + H2O
FeO + CO → Fe + CO2
FeO + H2 → Fe + H2O
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Portanto, as reações de redução no estado sólido (temperaturas entre 1000 a 1200o
C)
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
Fig.4.6 – Esquema mostrando os diferentes processos de redução direta.
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04.2.1 - PROCESSO DE REDUÇÃO DIRETA MIDRÉX
Foi desenvolvido pela empresa Norte americana Midland Rose em 1965
Em 1973 tinha 4 plantas de caráter industrial nos U.S.A
Ocupa o primeiro lugar em número de unidades operacionais no mundo - Capacidade
de produção = 400.000 t/ano
PROCESSO
Os minérios (pelotas, sinter) são reduzidos num forno de cuba por um gás redutor de
composição aproximada de (50% CO e 30%H2) e obtém-se o ferro esponja no estado
sólido.
O forno Midréx parece um pequeno alto-forno, onde não se chega a produzir fusão do
ferro.
PRINCIPAIS INSTALAÇÕES:
1- Refornador - onde prepara o gás redutor
2- Forno de Redução - redução e resfriamento do ferro
REFORMADOR
O gás redutor é obtido ,pela reação do gás natural (CH4) com o gás do topo do forno
de redução (H2,CO2 H2O, CO) produzindo praticamennte CO e H2 com auxilio de um
catalizador (Ni).
O Reformador é uma câmara de aquecimento revestida internamente de refratário. Ele
é aquecido pela mistura (ar + gás natural + gás de topo).
O forno é atravessado por tubos refratários contendo o catalisador, onde passa a
mistura gasosa (gás natural + gás topo).
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  • 1. Gerência de Ensino Coordenadoria de Recursos Didáticos Apostila de SIDERURGIA da matéria prima ao aço laminado Vitória - Janeiro - 2006 COORDENADORIA DE ENGENHARIA METALÚRGICA
  • 2. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 2 SIDERURGIA da matéria prima ao aço laminado Autor: Marcelo Lucas Pereira Machado Engenheiro Metalurgista – UFF – RJ Doutor em Engenharia Elétrica/Automação – UFES Mestre em Engenharia Metalúrgica – PUC-RJ Pós-Graduado em Educação / Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFES Professor e Coordenador do Curso de Engenharia Metalúrgica do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo – CEFET-ES Vitória -ES 2006
  • 3. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 3 APRESENTAÇÃO Este curso siderurgia, objetiva, portanto, apresentar de uma maneira global todos os processos que se desenvolve em uma siderúrgica, desde as matérias primas como minéio de ferro, carvão, coque e fundentes, passando pelo processos de preparação das matérias primas, tais como, sinterização, coqueria, calcinação e pelotizacao. Dos processos de extração do ferro metálico, consta neste trabalho, alguns processos de redução direta, tais como, o Midéx e o HyL e processos de redução indireta, tais como, os fornos elétricos de redução e o alto forno. Alguns processos de refino primário e secundário são apresentados, entre eles destaca-se o processo LD e o RH, respectivamente. A laminação apresentada neste trabalho está voltada para a laminação a quente, mostrando inclusive os aspéctos metalúrgicos durante a laminação. Em todos estes processos procura-se utilizar os conceitos de termodinâmica e físico- química para explicar as razões do funcionamento de muitos processos e confrontar resultados teóricos com os práticos. Finalmente, tem-se uma parte deste trabalho que trata da siderurgia e o meio ambiente onde procura-se relatar os efeito dos gases , resíduos, sucatas, etc gerados por uma siderúrgica, ao meio ambiente, e o que tem sido feito para minimizar ou até mesmo eliminar os efeitos nocivos dos mesmos.
  • 4. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 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.............................................................................................18 02 - VISÃO GERAL DAS MATÉRIAS PRIMAS..............................................................19 2.1 - Introdução...............................................................................................................19 2.2 - Classificação das matérias primas.........................................................................19 2.2.1 - Minérios de Ferro................................................................................................19 2.2.1.1 - Características dos Minérios de Ferro para Sinterização.................................20 2.2.1.1.1 - Características Físicas.............................................................................. ...20 2.2.1.1.2 - Características Químicas......................................................................... ....21 2.2.1.2 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno................................ ...21 2.2.1.2.1 - Características Físicas dos Minérios de Ferro para Alto Forno................ ...22 2.2.3 - Fundentes....................................................................................................... ....22 2.2.4 - Matérias primas de Geração Interna............................................................... ...23 2.3 - Adições............................................................................................................. .....23 2.4 – Pelotas de minério de ferro............................................................................... ....23 2.5 - Carvão Mineral e Vegetal................................................................................... ...24 2.5.1 - Origens e Geologia............................. .............................. ............................ ....24 2.5.2 - Variedades de Carvões................................................................................... ...25 03 - PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS............................... ........................ ....29 03.1 - Recebimento das matérias primas................................................ .................. ...29 03.2 - Calcinação.............................. ......................................................................... ...30 03.3 - Coqueria.............................. ........................................... ................................ ...31 03.3.1- Fluxograma da Coqueria da CST........................... .................................. ... ....31 03.3.2 - Preparação da mistura de carvões........................... ................................... ....32 03.3.3 - Enfornamento.................................. .......................... .................................. ...32 03.3.4 - Aquecimento/Coqueificação............................ .................................. ......... ....35 03.3.5 - Desenfornamento............................ .................................. .......................... ...37 03.3.6 - Apagamento................................................................................................. ....37 03.3.6.1 - Apagamento a úmido........................... .................................. ................. ....37 03.3.6.2 - Apagamento a seco.............................. .................................. ................. ....38 03.3.7 - Preparação do coque..................................................................... .............. ...40 03.3.8 - Tratamento das matérias voláteis.............................. .................................. ...40 03.4 – Pelotização..........................................................................................................42 03.4.1 – Descrição do processo.....................................................................................42 03.4.2 – Pátio de matéria-prima.....................................................................................43
  • 5. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 5 03.4.3 – Moagem............................................................................................................44 03.4.4 – Espessamento e homogeneização...................................................................45 03.4.5 – Filtragem...........................................................................................................45 03.4.6 – Pelotamento......................................................................................................46 03.4.7 – Queima.............................................................................................................47 03.5 - Sinterização............................................................... .................................. .. ....49 03.5.1 - Princípio da sinterização............................. .................................. .............. ...50 03.5.2 - Movimento da frente de combustão............................. ............................... ....50 03.5.3 – Reações durante a sinterização.............................. .................................... ...51 03.5.4 - Fluxograma de uma sinterização............................. .................................... ...52 03.5.5 - Máquinas de sinterização............................. .................................. ............ ....53 03.5.6 - Preparação do sínter............................. .................................. .................... ...54 04 - PROCESSOS DE REDUÇÃO DOS MINÉRIOS DE FERROS.. ........................ ...55 04.1- Fundamentos da redução do minério de ferro......................................................55 04.1.1 – Diagrama ferro oxigênio – Fe-O.......................................................................55 04.1.2 – Sistema carbono oxigênio – C-O......................................................................59 04.1.3 – Sistema ferro carbono oxigênio – Fe-C-O........................................................60 04.1.4 – Estudo combinado dos sistemas – C-O e Fe-C-O.........................................63 04.2 - Processos de redução direta............................................................... ........... ....66 04.2.1 - Processo de redução direta midréx...................................................................68 04.2.2 - Processo HyL…………………………...............................................................71 04.3 - Processos de redução indireta....................................................................... .....75 04.3.1 – Forno elétrico de redução/Baixo forno..............................................................75 04.3.2 – Alto forno.............................................................. ....................................... ...79 04.3.2.1 - Ferro gusa e subprodutos............................ .................................. ......... ....79 04.3.2.2 - Corpo principal do Alto Forno............................. ...................................... ....81 04.3.2.3 – Aspectos internos do Alto Forno.............................. ................................ ....81 04.3.2.4 - Periféricos do Alto Forno............................................................................ ...86 04.3.2.5 – Potencial de oxigênio / diagrama de Ellinghan............................................. 93 04.3.2.5.1 – Potencial de oxigênio em um reator...........................................................99 05 – PROCESSOS DE REFINO DO AÇO........................................... ......................106 05.1 – análise termodinâmica das reaçoes de refino...................................................106 05.2 - Dessulfuração ....................................................................... ........................ ...112 05.2.1 – Reações na dessulfuração........................................................... ............. ...112 05.3 - Produção do aço no convertedor.................................................................... ..114 05.3.1 -Processos de sopro pneumático.................................. ...................................114 05.3.1.1 - Processos de sopro a oxigênio................................. ..................................116 05.3.1.1.1 - Convertedor LD.............................................................. ...................... ...118 05.3.1.1.2 - Convertedor LD-KGC............................ .................................. .......... .....123 05.3.1.1.3 - Convertedor K-BOP e Q-BOP............................ ............................... ......124 05.4 - Refino secundário............................... .............................. ......................... ......125 05.4.1 - Definição...................................................................................... ....... ...........125 05.4.2 - Classificação dos processos..................................................................... .....126 06 - LINGOTAMENTO CONTÍNUO................................................. ........................ ...132 06.1 - Características................................ ............................ ............................... ......132 06.2 - O processo de lingotamento contínuo............................ ............................. .....133 06.3 - Operação................................ ............................ ........................................ .....134
  • 6. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 6 06.4 - Importância do controle do processo nas propriedades metalúrgicas...............136 06.5 – Comparação entre os rendimentos no lingotamento convencional e contínuo.137 07 - FORNOS DE AQUECIMENTO.................................................. ...................... ...138 07.1 - Classificação dos fornos de reaquecimento............................... .......................139 07.1.1 - Fornos descontínuos ou intermitentes....................................................... ....139 07.1.2 - Fornos contínuos.................................. ............................ ...................... ......140 07.2 - Produção.................................. .......................... .................................. ..... .....143 08 - LAMINAÇÃO......................................................... ........................................ ......144 08.1 - Definições dos produtos laminados............................ .................................. ....146 08.1.1 - Classificação dos produtos semi-acabados........................... .................. .....147 08.1.2 - Classificação dos produtos acabados....................................................... .....147 08.2 - Classificação dos laminadores..................................................................... .....149 08.3 - Órgãos mecânicos de um laminador........................... ............................... ......156 08.4 – Laminação a quente.................................................................................... .....161 08.4.1 – Laminação de tiras a quente.................................................................... .....163 08.4.2 - Aspéctos metalúrgicos na laminação da laminação a quente.........................169 09 – DECAPAGEM ............................................... ......................................................176 09.1 - Constituição da camada de óxido .....................................................................176 09.2 - Decapagem com ácido sulfúrico e clorídrico .....................................................177 09.3 – Inibidores ............................................... ..........................................................177 09.4 – Decapagem contínua .............................................. .........................................178 09.5 – Limpeza da superfície por meios mecânicos ....................................................180 10 – LAMINAÇÃO A FRIO ............................................... ..............................................181 10.1 - Processos de laminação ....................................... ...............................................182 10.7 – Laminação de chapa fina ............................................ .........................................185 10.9 – Laminadores de encruamento e acabamento..................... .....................................186 10.10 – Processo de laminação a frio da usina Vega do Sul ..............................................186 10.10.1 – Etapas da produção ............................................... .........................................188 10.10.2 – Decapagem, laminação a frio, recozimento e encruamento .................................188 10.10.3 – Galvanização .......................................... .......................................................191 11 - A SIDERURGIA E O MEIO AMBIENTE......................... ......................................193 11.1 – Introdução..........................................................................................................193 11.2 - Resíduos Siderúrgicos e Reciclagem.................................................................195 11.3 - Escórias Siderúrgicas: Altos-Fornos e Aciarias..................................................197 11.4 – Refratários.........................................................................................................198 11.5 – Sucatas..............................................................................................................199 11.6 - Consumo de energia elétrica numa usina siderúrgica................................. .....201 12 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................ ......................... .................. ........202
  • 7. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 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, pensando- se, na ocasião, que eram reservas inesgotáveis, a ponto de uma pessoa ilustre denominar Minas Gerais de peito de ferro das Américas. Apesar de tão grande potencial, Portugal impediu o desenvolvimento da siderurgia brasileira durante o período colonial. Durante o período do Brasil Império, ocorreram algumas iniciativas importantes relacionadas com a produção de metais, porém, não consolidaram. Um fato histórico notável foi a entrada do Brasil na Segunda grande guerra, no bloco dos Aliados, quando recebemos acessoria americana para a implantação da CSN, empresa que consolidou nosso país como produtor de aço. A consolidação do parque siderúrgico nacional foi liderado pela SIDERBRÁS durante o governo militar, que construiu e ampliou as grandes usinas siderúrgicas estatais para darem sustentação a todo o parque industrial brasileiro. Entre elas destaca-se a CSN, COSIPA, USIMINAS, Cia. Ferro e Aço de Vitória, CST e AÇOMINAS. A seguir mostraremos algumas figuras que ilustram esse período histórico.
  • 8. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 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.
  • 9. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 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
  • 10. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 10 fundidos. A melhor maneira de se entender a diferença entre aços e ferros fundios é fazermos uma rápida análise do diagrama ferro-carbono. 01.3.1 - DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO – CARBONO Esse diagrama é geralmente apresentado até 6,7% de carbono, porque este elemento forma com o ferro o composto Fe3C (cementita) que é extremamente duro e contém, aproximadamente, 6,7% de carbono. Fig.1.6 – Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono Como pode ser visto no diagrama Fe-C., o ferro puro (isento de carbono), apresenta-se até 912o C sob a forma alotrópica alfa (α) e acima de 912o C até 1354o C no estado alotrópico (γ). Essas formas alotrópicas se caracterizam por possuírem reticulados cristalinos diferentes para os átomos de ferro: o ferro α possui reticulado cúbico de corpo centrado (CCC) e o ferro γ possui reticulado cúbico de face centrada (CFC).
  • 11. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 11 A fig.1.7 mostra os reticulados cristalinos dos átomos de ferro nas formas alotrópicas CCC e CFC. Observa-se que a estrutura CCC possui somente um átomo de ferro no centro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui átomos de ferro no centro das faces do reticulado. Fig.1.7 – Esquema mostrando as estruturas cristalinas cúbicas de corpo centrado CCC e de face centrada CFC. Nota-se também no diagrama Fe-C que à medida o teor de carbono aumenta até o limite de 0,77%C obtêm-se a estrutura austenitica (Fe γ) a temperaturas cada vez mais baixas até o limite de 727o C. Esta faixa de teor de carbono de 0 a 0,77%C é onde se situa praticamente todos os aços comercialmente utilizados no mundo. Os átomos de carbono ocupam os espaços vazios dos reticulados de átomos de ferro e como pode ser observado na fig.1.6, a fase austenítica (estrutura CFC) tem capacidade para absorver mais carbono do que a fase ferrítica (estrutura CCC). A estrutura CFC devido ao seu formato de empilhamento é muito mais fácil de ser deformado do que a estrutura CCC. Desta forma, para se laminar a quente um aço, deve-se primeiro alcançar a estrutura austenítica, ou seja: conforme o teor de carbono, aquecer o aço em torno de 800 a 880o C, para em seguida fazer a deformação no laminador. Desta forma, economiza-se energia, equipamentos, tempo, e viabiliza economicamente o produto além de poder conferir boas propriedades mecânicas e metalúrgicas ao aço posteriormente ou durante a laminação. Para se ter uma idéia da facilidade de deformação de um metal com estrutura cristalina CFC, o chumbo é um material que possui esta estrutura na temperatura ambiente e o ferro por outro lado, na temperatura ambiente possui estrutura CCC. Como o aço é um material produzido para ser deformado, ele deve no aquecimento produzir uma estrutura totalmente austenítica, ou seja, deve possuir teor de carbono inferior a 2%, como pode ser visto no diagrama Fe-C. Apesar de na prática, os aços comerciais não ultrapassam a 0,8%. Por outro lado, os ferros fundidos são produzidos já no formato da peça final, portanto não sofrerão deformações posteriores, o seu teor de carbono está acima de 2%. Então, por definição os aços são produtos siderúrgicos com menos de 2%C, usualmente, obtidos em convertedores pelo refino do ferro gusa. Existem centenas de tipos de aços, podendo-se destacar as seguintes famílias: Aços carbono comuns, Aços micro-ligados, Aços ligados de baixa liga, Aços de alta Estrutura Estrutura CCC CFC
  • 12. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 12 liga: Inoxidáveis ferríticos, inoxidáveis austeníticos, para ferramentas e matrizes, etc. Os ferros fundidos são produtos siderúrgicos primários, geralmente, produzidos em altos fomos. Teoricamente seu teor de carbono está acima de 2%; contudo, na prática a maioria dos ferros fundidos tem de 4 a 4,3%C. Exemplos de ferros fundidos: Ferros fundidos brancos, ferros fundidos cinzentos, ferros fundidos maleabilizados, ferros fundidos nodulares, etc. 01.4 - CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS Os aços podem ser classificados com base em diferentes parâmetros, tais como dureza, aplicações, normas técnicas, etc. De acordo com a dureza, os aços se dividem nos seguintes grupos: • Aços extra-doces: Abaixo de 0,15%C, • Aços doces: 0,15 a 0,30%C, • Áços meio-doces: 0,30 a 0,40%C, • Aços meio-duros: 0,40 a 0,60%C, • Aços duros: 0,60 a 0,70%C, e • Aços extra-duros: Acima de 0,70%C. Como se pode deduzir pelos dados acima, as durezas dos aços dependem dos seus respectivos teores de carbono. Há dezenas de normas técnicas sendo que são usadas na classificação dos aços, contudo, nesse trabalho, citaremos apenas alguns exemplos da classificação de aços pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Parte da Tabela da ABNT Tipo do Aço Classe Aço carbono comum I0XX Aço níquel (3,5%) 23XX Aço Níquel-cromo 3YXX Aço cromo(0,95%)-molibdênio(0,2%) 41XX Aço cromo 51XX Outros Pela ABNT, os dois primeiros dígitos indicam o(s) elemento(s) de liga existente(s) no aço, além do carbono. O número decimal expresso na posição do XX se refere à porcentagem de carbono contido pelo aço. Exemplos: Aço ABNT 1010: aço carbono comum com aprox. 0,1%C. Aço ABNT 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.
  • 13. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 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
  • 14. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 14 quantia de R$1.800.000.000,00. Como se pode deduzir, nesse caso, há uma ampliação de receita acima de R$1.500.000.000,00, além de solucionar parte do problema do desemprego. 01.6 - FLUXOGRAMAS DE USINAS SIDERÚRGICAS Fluxograma é uma representação gráfica que indica o caminho percorrido pelas matérias primas, suas transformações e, finalmente, a entrega dos produtos que se propõe produzir. As usinas siderúrgicas podem ser integradas, semi-integradas e não-integradas. As usinas siderúrgicas integradas adquirem as matérias primas no estado bruto, executam todas as fases do processo industrial e vendem os produtos acabados. Em princípio, quanto maior for o grau de integração de uma usina, mais competitivo se tomam seus produtos no mercado. Geralmente, são usinas de grande porte, que exigem investimento muito elevado antes de entrarem em operação. Quando não há capital suficiente, uma usina pode iniciar sua produção como usina não integrada e, à medida que vai aumentando seu capital, pode passar a semi-integrada e, finalmente, totalmente integrada. 01.6.1 - FLUXOGRAMA REDUZIDO DE USINAS INTEGRADAS 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. Ling. contínuo, laminação, fundição Matérias Primas Preparação das matérias primas Extração do metal Elaboração Conformação Produto final acabado Sinterização, pelotização, etc Alto-forno, etc Aciaria, refino secundário, etc Perfiz, vergalhões, Tiras, chapas Minérios, carvões, fundentes, etc
  • 15. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 15 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. 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. ALTO FORNO Minério granuladoCarvão vegetal Fundentes Ar Gusa sólido Gusa líquido vendas Poeiras e gases Escória
  • 16. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 16 FLUXOGRAMA DA SIDERÚRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMÉRICA 01.6.4 - CICLO OPERACIONAL DA CST Normalmente, uma usina siderúrgica integrada como a CST, é constituída, além do Alto Forno para a produção de ferro gusa, de outras unidades beneficiam as matérias primas básicas utilizadas no processo, unidades que produzem insumos para consumo em outras unidades e unidades que completam o processo, dando como resultado final o aço, constituído elementos acabados ou semi-acabados, como é o caso da CST, que produz placas grossas de aço para utilização em outras usinas de beneficamento e laminados de tiras a quente. As principais unidades que compõem a CST são: • Pátio de estocagem e mistura de carvão para a produção de coque; • Pátio de estocagem de minério e fundentes onde ocorre a produção da mistura dos materiais necessários à produção de sinter consumido no Alto Forno. Alternativamente à utilização do sinter, pode-se ter o consumo de pelotas capaz de substituir o sinter em parte ou integralmente; • Coqueria que produz o coque para a composição de carga do Alto Forno 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 Sucata OxigênioFundentesGusaFerros-ligas Aciaria Elétrica Escória Poeiras e gases Aço líquido Lingotamento contínuo Lingotes Trefilação Perfiz e vergalhões Laminação
  • 17. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 17 é o COG - gás de coqueria, que é um rico a combustível utilizados em várias unidades da usina, principalmente no Alto Forno; • O processo pode substituir, em parte, o coque por carvão pulverizado, que é injetado na parte inferior do Alto Forno (na região das ventaneiras). Este será o caso do Alto Forno II, que consumirá grande parte de carvão pulverizado que será produzido na unidade de PCI; • Sinterização, que é a unidade de produção do sinter consumido no Alto Forno como é o caso atual da CST. O sinter é produzido na máquina de sinter utilizando minério de ferro bitolado, minério de manganês, fundente constituído de finos de calcário e combustível constituído de finos de coque e o COG, que tem também é utilizado. • Utilidades: sob esta denominação são consideradas várias unidades que produzem insumos complementares para o consumo em outros unidades da usina. Desta forma, tem-se a casa de força para a geração de eletricidade, vapor e ar soprado, onde é utilizado o gás do Alto Forno juntamente com o de coqueria (BFG+COG). Ainda sob denominação de utilidades, tem-se a unidade de fracionamento de ar, que produz oxigênio e nitrogênio utilizados em várias unidades do processo industrial (Alto Forno, Sinterização, Coqueria, Lingotamento, Dentre outras unidades). Estação de tratamento de água (ETA) e recirculação, que promove o reaproveitamento, em circuito fechado, da maior parte da água doce utilizada. Unidade de ar comprimido que alimenta várias unidades com ar, também é utilizado no processo de fracionamento de ar, também utilizado no resfriamento de vários elementos envolvidos no processo industrial; • Calcinação, que utiliza o calcário para produção de cal, consumida na Aciaria e na Sinterização; • Aciaria, que produz o aço a partir do ferro gusa (processo de oxidação em convertedores LD); • Unidade de lingotamento ( contínuo ) que promove a moldagem do produto final (placas) que podem ser enviadas para o cliente ou alimentar a laminação de tiras a quente. • Unidade de Laminação de Tiras a Quente, onde a placa após reaquecimento em forno de placa é encaminhada ao trem de laminação a quente onde sofre a devida conformação, tendo como produto final a bobina de tira a quente, que pode ser utilizado como produto comercial, após passar pela laminação de acabamento ou destinado para o cliente para alimentar o trem de laminação a frio. • Sistema de lavagem e limpeza de gases utilizados nas demais unidades, cujos gases apresentam níveis de contaminação que necessitam ser minimizados antes de serem utilizados no próprio processo (COG e BFG).
  • 18. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 18 01.7 – FLUXOGRAMA DA CST. Laminação de tiras à quente Sinter feed Carvão mineral Sinterização Coqueria Matérias Voláteis Sinter Coque Minério granulado Pelotas Escória Calcário Alto-Forno Oxigênio Ar Cal Poeiras Gases Gusa líquido Dessulfuração Convertedor Fundição Peças Ferro-ligas Escória Aço líquido Poeiras Gases Sucatas Refino secundário Lingotamento contínuo Placas Tiras Expedição Calcinação
  • 19. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 19 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. 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 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 20 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. 2.2.1.1 - 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. 2.2.1.1.1 - 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 21 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 o C, 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. 2.2.1.1.2 - 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. 2.2.1.2 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno: A carga metálica do Alto Forno a Coque é normalmente composta de: - Sinter; - Pelota; - Minério granulado. O minério de ferro normalmente participa numa proporção que pode variar de 5% até 20% dependendo muito da usina e da situação. Basicamente um minério para Alto Forno deve apresentar:
  • 22. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 22 - Alto teor de ferro - Baixos teores de fósforo, álcalis e enxofre. No caso do fósforo, cerca de 100% vai para o gusa, além disso, estima-se que 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. 2.2.1.2.1 - 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. 2.2.3 - 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.
  • 23. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 23 2.2.4 - 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 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). 2.3 - 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. 2.4 – Pelotas de Minério de Ferro As jazidas de minério de ferro contêm, in situ, em porcentagens variáveis, uma parcela de finos (abaixo de 6mm). Além disso, durante a lavra do minério de ferro, a sua classificação em diversas granulometrias e o seu manuseio e transporte, é gerada uma
  • 24. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 24 quantidade elevada de partículas finas e ultrafinas, cuja aplicação direta na indústria siderúrgica é impraticável, porque tornaria a carga pouco permeável à passagem dos gases ascendentes, dificultando em muito a operação nos altos-fornos. Por outro lado, a separação da parcela final, como rejeito, provocaria: - diminuição do rendimento da lavra - aumento do custo do produto - perdas nas reservas de minério Com propósito de elevar o rendimento da mina e melhorar a economicidade global do sistema, surgiram os processos aglomeração, cujo objetivo seria agregar em pedaços de tamanho adequado uma infinidade de minúsculas partículas de minério que reunissem características de qualidade compatíveis com sua utilização nos processos siderúrgicos. Os meios empregados para proceder à aglomeração envolvem, em geral, o processamento térmico a altas temperaturas. Assim ,tiveram origem os processos de sinterização, no final do século passado, e o de pelotização, no início do atual. A sinterização se encarregou de uma parcela dos finos. Esse processo, porém, mostrou-se inapropriado à absorção da outra parcela, a de ultrafinos. Para absorvê-Ia foi idealizado o processo de pelotização. Com esses dois processos - o de sinterização e o de pelotização - todos os finos gerados na mineração puderam ser aglomerados em tamanhos convenientes, o que permitiu sua aplicação direta nos altos-fornos. A pelotização é, assim, um processo de aglomeração, cuja finalidade é agregar, com o recurso de um processamento térmico, a parcela ultrafina do minério em esferas de diâmetros adequados (entre 8 e 18 mm), com características de qualidade que 2.5 - Carvão Mineral e Vegetal 2.5.1 - 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
  • 25. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 25 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. Estimativas de geólogos indicam que as temperaturas às quais foi submetida à matéria vegetal fóssil variam entre 100o C a 600o C 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. 2.5.2 - 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.
  • 26. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 26 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, encontrando- se 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. Recém- extraídas, são consideravelmente mais úmidas, com 80 a 90% de água; secas ao ar, contém ainda de 15 a 30% de água de embebição. Nesta condição, têm peso 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.
  • 27. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 27 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 micro- organismos 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 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 1.000o C) 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
  • 28. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 28 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 29 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 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. 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. PENElRAMENTO
  • 30. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 30 São operações feitas em classificadores geométricos, denominados peneiras ou grades vibratórias, com o fim de separar cada grupo das matérias primas conforme 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. 03.2 - 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 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 Queimadores1250o C Cal
  • 31. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 31 carbonatos, sendo possível produzir cal calcítica e/ou cal dolomítica. A coleta da cal produzida ocorre na extremidade inferior do forno. 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. 03.3 – COQUERIA: Coqueria é a unidade industrial que transforma mistura de carvões minerais em coque. O coque metalúrgico é empregado nos altos fornos, onde pode atuar 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. 03.3.1- FLUXOGRAMA DA COQUERIA DA CST. Alto Forno Mistura de carvões Gás bruto ( matérias voláteis) (25%) Bateria de coque Britador Usina de subprodutos Classificador Coque grosso ( > 75mm) (75%) Coque fino ( < 0,25mm) Coque Bitolado ( 20 - 75mm) Sinterização Piridina (0,01%) Óleos leves (1,22%) Gás de coqueria (17%) Sulfato de amônia (1,2%) Alcatrão (5,3%)
  • 32. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 32 03.3.2 - 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. 03.3.3 – 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 33 1- Correia transportadora 4- Fornos (retortas) 7- Duto de matérias voláteis 2- Silo principal 5- Rampa de descarga 3- Carro alimentador 6- Vagão de apagamento 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 34 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 35 Fig.3.7 – Esquema de um forno com duplo par de canais. Fig.3.8 – Esquema do processo de coqueificação. 03.3.4 - 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
  • 36. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 36 características adequadas a uma destilação (aquecimento em ausência de ar). Esta 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 semi- coque. 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 37 03.3.5 - 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 03.3.6 - APAGAMENTO O coque deve ser apagado imediatamente, para impedir sua queima, o que pode ser feito a úmido ou a seco. 03.3.6.1 - 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 38 Fig.3.11 – esquema de uma torre de apagamento à úmido 03.3.6.2 - Apagamento a seco. A CST é a única usina siderúrgica das Américas que emprega apagamento a seco. O processo de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ) se 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:
  • 39. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 39 a - Absorve as variações na alimentação do coque, proporcionando uma geração estável de vapor. 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 40 Fig.3.12 – Processo de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ) 03.3.7 - PREPARAÇÃO DO COQUE: Depois de frio, o coque deve ser britado e peneirado a 75 e 20mm. O coque com 20 a 75mm é mandado para o alto forno e o menor que 20mm para a sinterização. 03.3.8 -TRATAMENTO DAS MATÉRIAS VOLÁTEIS: Cerca de 25% da mistura de carvões se transforma em matérias voláteis que, 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
  • 41. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 41 Processo de precipitação eletrostática de partículas de alcatrão Processo de absorção de amônia. 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. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 42 03.4 - PELOTIZAÇÃO O desenvolvimento da pelotização até os nossos dias baseou-se numa série de fatores, entre os quais seria oportuno destacar os seguintes: 1. O sucesso alcançado pelos norte-americanos na concentração e aglomeração (por pelotamento) de seu minério de baixo teor metálico, o taconito. 2. As perspectivas de exaustão das reservas de minério de alto teor. 3. A melhoria dos índices operacionais dos altos-fornos com o emprego de aglomerados, substituindo-se gradativamente os minérios naturais. 4. A racionalização do aproveitamento dos finos de minério de ferro, oriundos da lavra, do peneiramento e do manuseio. 5. A participação de novos fornecedores de minério no mercado internacional, que tornou a competição mais acirrada e exigiu melhor qualidade das matérias-primas. 6. A evolução da técnica de operação dos altos-fornos, sobretudo no que se refere ao cuidado na preparação da carga. Esses fatores, evidentemente, não atuaram de forma isolada, mas houve influência simultânea de vários deles no decorrer dos últimos trinta anos. 03.4.1 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO 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 necessárias exigidas pelo mercado consumidor. De forma genérica, o processo de pelotização nas usinas de a Tubarão apresenta três fases distintas: - Preparação da matéria-prima - Formação de pelotas cruas - Processamento térmico. A preparação da matéria-prima consiste em processar o minério recebido das minas, de modo a lhe dar características necessárias para se fazer a pelota crua. Incluem-se
  • 43. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 43 nesta fase as seguintes operações: recuperação de matériaprima do pátio, moagem, espessamento/homogeneização, filtragem. A formação da pelota crua, fase chamada pelotamento, é uma das mais importantes. É a transformação do minério, já pulverizado e misturado com o aglomerante, a uma determinada umidade, em pelotas cruas. O processamento térmico, feito no forno de grelha contínua, permite, pelo aumento gradativo de temperatura, dotar as pelotas de uma alta resistência física e de propriedades metalúrgicas apropriadas para utilização nos altos-fornos. Descreveremos a seguir, com alguns detalhes, as diferentes etapas do processo de pelotização. 03.4.2 – PÁTIO DE MATÉRIA-PRIMA O empilhamento da matéria-prima (pellet-feed) é feito por uma "empilhadeira móvel", com capacidade de 6.000t/h, que deposita os diferentes tipos de minério em 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 a capacidade média do pátio de cada usina é de 200 mil toneladas. O controle da composição químjca e granulométrica da pilha de alimentação é feito com auxílio de computador. O resultado das análises químicas e granulométricas de cada trem de 10.000 t é comunicado ao sistema de computação que informa, por sua vez, qual o teor médio que deverá ter o próximo trem para manter a pilha dentro dos limites especificados. A alimentação da usina processa-se a partir de uma recuperação de caçambas, com capacidade de 1.400t/h, que transfere o pellet-feed para os silos de alimentação dos moinhos, mediante um sistema de correias transportadoras. O sistema foi projetado de tal modo que o conjunto de operações de estocagem e recuperação conduz à perfeita homogeneização dos diferentes tipos de minério constituintes da pilha. Recentemente, passou-se a acrescentar calcário e carvão ou minério, antes de seu encaminhamento aos moinhos.
  • 44. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 44 Fig.3.13 - Empilhamento de pellet feed. 03.4.3 – MOAGEM A moagem dos finos de minério de ferro é feita a úmido, em circuito fechado, em duas linhas paralelas de moagem, com capacidades individuais de 225t/h. Cada linha compreende um silo com a capacidade de 900t, uma mesa alimentadora, uma correia transportadora dotada de balança, um moinho de bolas e um grupo de hi. drociclones de 500 mm de diâmetro. Da mesa alimentadora, o minério cai numa correia de alimentação do moinho de 5 m de diâmetro x 10m de comprimento, girando a 12,6rpm, o equivalente a 68% de sua velocidade crítica. Cada moinho tem uma carga de 300 t de corpos moedores (bolas). A porcentagem de sólidos no moinho, que é mantida com adição de água na entrada, é de 70%. Antes de a polpa moída ser encaminhada ao espessador, ela passa por um grupo 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 alimentação dos ciclones exige uma porcentagem de sólidos da ordem de 45%; assim, na saída do moinho adiciona-se mais água, e essa polpa, constituída de água, minério e, eventualmente, calcário e carvão, é bombeada para o grupo de hidrociclones, onde é feita a classificação: a parcela do material suficientemente fino, abaixo de 325 mesh, é conduzida ao espessador; o resto retorna ao moinho para remoagem.
  • 45. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 45 03.4.4 – ESPESSAMENTO E HOMOGENEIZAÇÃO A polpa procedente dos hidrociclones, com cerca de 20% de sólidos, é recebida em um espessador com 50m de diâmetro, com a finalidade de aumentar a porcentagem de sólidos e recuperar a água para retorno ao processo. Do espessador, a polpa, agora com 70% de sólidos, é bombeada para tanques de homogeneização com capacidade de 1200 m3 . Agitadores rotativos no interior de cada tanque mantêm os sólidos em suspensão e auxiliam a homogeneização da polpa, minimizando as variações das características físicas e químicas do material. A água de transbordamento no espessador é reconduzida aos moinhos por um sistema de tanque e bombas de recalque. Do tanque, a polpa é bombeada para a seção de filtragem, através de uma bomba de velocidade variável. Um sistema de controle por radiação, que comanda a velocidade da bomba, controla automaticamente a porcentagem dos sólidos. Fig.3.14 - Espessador e tanques de homogeneização da CVRD. 03.4.5 –FILTRAGEM A operação de filtragem tem por finalidade reduzir a umidade da polpa proveniente dos tanques de homogeneização. A filtragem a vácuo é feita em nove conjuntos de filtros a disco, de eixo horizontal. Cada conjunto é composto de 10 discos em paralelo, de 2,5 m de diâmetro, cuja finalidade é reduzir a água da polpa de 30% para 8,7%. Após esta operação, a polpa é denominada polpa retida. A essa polpa retida mistura-se usualmente uma determinada quantidade de cal hidratada (cerca de 20 a 30 kg/t) ou de bentonita (5 a 6 kg/t), que exercerão o papel de aglomerante no processo de pelotamento.
  • 46. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 46 A uniformização da mistura é realizada em misturadores cilíndricos rotativos, que recolhem a produção de polpa retida dos filtros. Em seguida, a mistura é endereçada aos discos de pelotamento, por meio de transportadores de correias. A seguir, a “polpa retida” será transportada por correias transportadoras até os silos dos discos de pelotamento. 03.4.6 – PELOTAMENTO É a formação da pelota crua, que ainda não recebeu o tratamento térmico. A importância da fase de pelotamento se deve ao fato de que uma boa qualidade da pelota crua é fundamental para a fase seguinte. Faz-se o pelotamento em discos com 7,5m de diâmetro, que giram a 16rpm com uma inclinação de 48° a 550 e com capacidade de processamento de 120t/h de “polpa retida”. A polpa vai ao disco por meio de um sistema de silo dosador, balança e desagregador. Com uma umidade bem determinada, por ação do aglomerante e da capilaridade, formam-se pequenos núcleos esféricos, que vão crescendo pelo efeito de "bola de neve". Quando a pelota chega a um determinado diâmetro, entre 8 e 18mm, ela sai automaticamente do disco, caindo numa correia receptora. Essas pelotas, chamadas pelotas cruas, apresentam pouca resistência quando manuseadas; por isso, são levadas ao forno por correia de baixa velocidade, observando-se pequenas quedas nas transferências. Na entrada do forno uma peneira de rolos elimina a parcela menor que 6 mm, que retorna ao processo. Essa peneira de rolos é alimentada por um transportador especial, o qual permite regular a distribuição das pelotas na entrada do forno, de modo a manter uniforme a altura da camada na grelha. Fig.3.15 - Disco de pelotamento.
  • 47. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 47 03.4.7 – QUEIMA 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. O forno onde é feito o tratamento térmico da pelota crua é constituído por uma grelha contínua, sistema Lurgi-Dravo, semelhante a uma grelha de sinterização, com dimensões de 3,5m x 129m. Nesse processo térmico, as pelotas adquirem alta resistência mecânica e características metalúrgicas apropriadas para utilização no alto-forno. O forno é dividido em cinco setores, correspondendo às fases: • secagem ascendente • secagem descendente • preaquecimento e queima • pós-queima • resfriamento Nas secagens ascendente e descendente, a camada de pelotas cruas de 42 cm recebe um fluxo de gases quentes, resultando em total eliminação de água livre; a temperatura chega a 300o C. Em seguida, a pelota crua entra na região de pré-queima e na de queima, onde queimadores colocados nas partes laterais aumentam a temperatura gradativamente, até atingir 1350o C. Saindo dessa fase, as pelotas recebem um fluxo de ar frio que provoca seu resfriamento até cerca de 100°C, na descarga do forno. Esse ar se aquece e é usado na.zona de secagem e queima, recuperando parte do calor. A fim de se proteger a grelha e de se obter melhor permeabilidade da carga, fundamental para uma boa queima, as pelotas cruas não são carregadas diretamente sobre a grelha, mas sobre uma camada recirculante de pelotas já queimadas com 8 cm de espessura. Também as laterais da grelha são protegidas por esse tipo de camada. Ventiladores de grande volume (40.000 Nm3 /min.) são responsáveis pelo fluxo do ar e de gases nas diferentes fases do forno. As pelotas descarregadas do forno são levadas a uma peneira, que elimina a parcela abaixo de 5mm (cerca de 1,5%). Essa peneira permite também separar a parte do produto que é recirculada através da camada de forramento. 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.
  • 48. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 48 1 - Pelotas cruas 5 - Secagem descendente 9 - Resfriamento I 13 - Ar frio 2 - Alimentador de rolos 6 - Pré-queima 10 - Resfriamento II 14 - Pelotas para forramento 3 - Grelha 7 - Queima 11 - Tubulão de recuperação 15 - Produção 4 - Secagem ascendente 8 - Pós-queima 12 - Caixas de vento 16 - Finos Fig.3.16 - Esquema de um forno de pelotização.
  • 49. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 49 Fig.3.17 - Fluxograma do processo de pelotização da CVRD. 03.5 - 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.
  • 50. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 50 03.5.1 - 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.3.18 – Esquema do princípio da sinterização. 03.5.2 - 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. Fig.3.19 – Esquema mostrando o movimento da frente de combustão.
  • 51. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 51 03.5.3 – 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 g) Combustão do Coque: 1300o C C + O2 → CO2 C + 1/2O2 → CO h) Formação da magnetita: 3FeO 1/2O2 → Fe3O4
  • 52. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 52 03.5.4 - FLUXOGRAMA DE UMA SINTERIZAÇÃO Sinter Feed Coque Fundentes Água Outros Misturador SINTERIZAÇÃO Birtador primário Resfriador Peneira (50mm) < 50mm > 50mm Britador secundário 20mm Peneiras 10mm 5mm Sinter ALTO FORNO 5mm 5 a 50mm 10 a 20mm Falsa grelha (Beding)
  • 53. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 53 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). 03.5.5 - 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.3.20 – 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.
  • 54. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 54 Fig.3.21 – Corte longitudinal do leito de uma máquina de sinterização contínua Fig.3.22 – Corte Transversal do leito de uma máquina de sinterização contínua Fig.3.23 – Esquema mostrando o sistema de exaustão de uma sinterização contínua tipo Dwight-Lloyd. 03.5.6 - 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.
  • 55. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 55
  • 56. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 56
  • 57. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 57
  • 58. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 58
  • 59. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 59
  • 60. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 60
  • 61. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 61
  • 62. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 62
  • 63. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 63
  • 64. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 64
  • 65. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 65
  • 66. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 66 04.2 - PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETA O processo de obtenção do ferro consiste basicamente na redução dos seus óxidos por meio de um combustível carbonoso redutor, em geral coque, carvão vegetal ou mineral. Para que as reações de redução dos óxidos de ferro ocorram em velocidades rápidas, é necessário temperaturas acima de 1000o C, onde obtemos o ferro por redução indireta ou por redução direta. Processos de redução direta são aqueles nos quais a redução do minério de ferro a ferro metálico é efetuada sem que ocorra, em nenhuma etapa do processo, a fusão da carga no reator. A redução no estado sólido de minério de ferro por carvão é praticada desde a antigüidade, tendo sido o principal processo de obtenção de ferro até o desenvolvimento dos altos fornos. Assim, o produto metálico é obtido na fase sólida, sendo chamado de “ferro esponja”. O ferro esponja é um produto metálico com 85 a 95% de ferro e de 0,1 a 1,0% de C, podendo chegar a 2,0% de C. Tem aspecto esponjoso e é obtido no estado sólido à temperatura em torno de 1100o C, a preços relativamente reduzidos se comparado a grandes siderúrgicas. Em geral, o ferro esponja é utilizado em fornos elétricos a arco em substituição à sucata para obtenção do aço, onde a sua característica vantajosa é a sua superioridade em relação à sucata em termos de pureza (elementos de liga contidos na sucata podem dificultar o atendimento à especificação do aço a ser produzido). Os processos de redução direta podem ser divididos conforme o tipo de redutor, em duas classes: redutor sólido (carvão ou coque) ou redutor gasoso (gás natural-CH4 e/ou gases redutores como CO, H2). Reações de reforma ou enriquecimento do gás redutor utilizado para reutilização no reator, normalmente feitos em reatores separados do reator de redução dos minérios. CO2 + C → 2CO H2O + C → H2 + CO CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 CH4 + H2O → CO + 3H2 Reações de redução do minério de ferro no reator de redução. 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 Fe3O4 + H2 → 3FeO + H2O FeO + CO → Fe + CO2 FeO + H2 → Fe + H2O
  • 67. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 67 Portanto, as reações de redução no estado sólido (temperaturas entre 1000 a 1200o C) 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 Fig.4.6 – Esquema mostrando os diferentes processos de redução direta.
  • 68. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 68 04.2.1 - PROCESSO DE REDUÇÃO DIRETA MIDRÉX Foi desenvolvido pela empresa Norte americana Midland Rose em 1965 Em 1973 tinha 4 plantas de caráter industrial nos U.S.A Ocupa o primeiro lugar em número de unidades operacionais no mundo - Capacidade de produção = 400.000 t/ano PROCESSO Os minérios (pelotas, sinter) são reduzidos num forno de cuba por um gás redutor de composição aproximada de (50% CO e 30%H2) e obtém-se o ferro esponja no estado sólido. O forno Midréx parece um pequeno alto-forno, onde não se chega a produzir fusão do ferro. PRINCIPAIS INSTALAÇÕES: 1- Refornador - onde prepara o gás redutor 2- Forno de Redução - redução e resfriamento do ferro REFORMADOR O gás redutor é obtido ,pela reação do gás natural (CH4) com o gás do topo do forno de redução (H2,CO2 H2O, CO) produzindo praticamennte CO e H2 com auxilio de um catalizador (Ni). O Reformador é uma câmara de aquecimento revestida internamente de refratário. Ele é aquecido pela mistura (ar + gás natural + gás de topo). O forno é atravessado por tubos refratários contendo o catalisador, onde passa a mistura gasosa (gás natural + gás topo).