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Fig. 9.3 – Turbina para limpeza de tarugos ou chapas por meio de projeção centrífuga
de jatos metálicos (granalha) contra a superfície a limpar.
10 - LAMINAÇÃO A FRIO
Na definição da A.I.S.I (American Iron and Steel Institute) Chapas finas laminadas a
frio, cortadas ou em bobinas, são produtos planos de aço, entre as espessuras de
0,36mm e 6,34mm (0,0142" a 0,2499") [81].
A Especificaçào Brasileira EB-188 aplica-se às chapas finas de aço carbono com
espessura igualou superior a 0,30mm até 6,00mm inclusive, com os diversos
acabamentos .especificados, em chapas cortadas ou bobinas. A mesma especificação
compreende quatro grupos de qualidades em que se podem enquadrar as chapas finas
de aço ao carbono [81]:
Qualidade Comum
Qualidade Estampagem
Qualidade Baixo Teor de Metalóides
Qualidade Requisitos de Propriedades Mecânicas
a) Qualidade comum:
É elaborada com aço de baixo teor de carbono, efervescente, acalmado
mecânicamente, ou semi-acalmado. É produzida com superfície fôsca, adequada para
a aplicação de vernizes orgânicos, tais como: pintura e esmaltes, mas que não é
indicada para a eletrodeposição onde a superficie lisa e isenta de defeitos é essencial.
As chapas cortadas não devem apresentar defeitos que sejam claramente visiveis na
sua superficie; as bobinas poderão ter maior porcentagem de defeitos, porque o
produtor não tem a mesma possibilidade de rejeitar as partes contendo imperfeições
como no caso de chapas.
A chapa de qualidade comercial até 0,1570 de carbono deve ser dobrada sôbre si
mesma, em qualquer direção, sem haver fissuras visíveis ao longo da dobra. Para
teores de carbono entre 0,15 e 0,25%, o corpo de prova deve poder ser dobrado a 180º
em tôrno de uma peça, tendo uma espessura igual à do especimen, sem apresentar
fissuras.](https://image.slidesharecdn.com/siderurgiadamatprimaaolam-130504113348-phpapp01/85/Siderurgia-da-mat-prima-ao-lam-181-320.jpg)
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Chapas de acabamento brilhante são produzidas pela passagem entre cilindros
esmerilhados e polidos e possuem acabamento mais lustroso que as de qualidade
comercial, sendo indicadas para as peças que necessitem bom acabamento com
pouca deformação. Para a eletrodeposição estas chapas devem ser submetidas a
polimento prévio.
b) Chapa laminada a frio para estampagem:
É produzida a partir de aços selecionados e especialmente processada para ter
caracteristicas uniformes de estampagem, sendo obtida normalmente a partir de aço
efervescente. Em caso de estampagem particularmente severa, especifica-se aço
acalmado.
A superficie é geralmente fôsca, para aplicação de tintas ou esmaltes, mas não é
adequada à eletrodeposição, onde a isenção de defeitos superficiais é essencial. As
chapas dêste tipo de aço deverão produzir, dentro das tolerâncias negociadas em cada
caso entre o produtor e o consumidor, peças determinadas.
c) Qualidade baixo teor de metawides:
São produzidas com análise química tal, que a soma dos teores dos vários elementos
seja baixa e são empregadas na fabricação de peças revestidas com esmaltação
vitrea, galvanização, etc.
d) Requisitos de propriedades mecânicas:
As chapas finas produzidas sob Requisitos e Propriedades Mecânicas Determinadas
são destinadas a peças sujeitas a esforços de qualquer natureza ou conjuntos
estruturais diversos. Então, são exigidas propriedades mecânicas especificadas, tais
como: ensaio de tração, dureza, etc. As chapas desta qualidade de aço podem ser
também produzidas de acôrdo com determinadas faixas de dureza Rockwell.
10.1 - PROCESSOS DE LAMINAÇÃO
O processo de produção de chapas ou bobinas laminadas a frio compreende
inicialmente a deformação do aço a temperaturas abaixo do ponto crítico. Este ponto
varia com o tipo de aço: 627°C para o ciclo de resfriamento e 727°C para o ciclo de
aquecimento são temperaturas bastante representativas [81].
A redução a frio é obtida pela deformação da estrutura cristalina; resulta numa
elevação da resistência à tração, da dureza superficial, do limite elástico e numa
redução da dutilidade.
A seguir, o material é submetido a um recozimento (para restituir-lhe dutilidade) e
depois, a um passe de acabamento ou de encruamento, para uniformizar a superficie
ou obter uma dureza determinada e homogênea, em roda a área.
As chapas finas ou bobinas laminadas a frio podem ser produzidas numa grande
variedade de equipamentos, seja Duo, Trio, Quádruo ou Multiplo; as cadeiras poderão
ser dispostas isoladamente ou em Tandem.](https://image.slidesharecdn.com/siderurgiadamatprimaaolam-130504113348-phpapp01/85/Siderurgia-da-mat-prima-ao-lam-182-320.jpg)
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10.2 - CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TIPOS DE LAMINADORES:
As vantagens da utilização de cilindros de trabalho de pequeno diâmetro seriam [81]:
a) para uma dada redução, a carga sôbre o laminador é menor;
b) a deformação elástica do cilindro no arco de contato (ou achatamento do cilindro,
como é chamado comumente) é diminuída;
c) a energia necessária é menor;
d) o alargamento lateral é reduzido e, portanto, a tendência para fendilhamento nos
bordos é menor.
Por outro lado, é mais difícil de alimentar tira, os cilindros aquecem-se mais e há maior
dificuldade na transmissão da energia mecânica devido ao pequeno diâmetro dos
pinhões que deverão ser usados.
A tendência na laminação a frio tem sido de aumentar as velocidades dos cilindros,
reduzir os tempos improdutivos e mecanizar cada vez mais, o manuseio do material.
Daí a laminação contínua de bobinas em várias cadeiras vir substituindo a laminação
de chapas individuais.
10.3 - RESFRIAMENTO DOS CILINDROS:
Durante a operação, uma considerável quantidade de calor égerada na tira e nos
cilindros de trabalho, pelo atrito e pela deformação plástica do material; parte dêste
calor é levada pela tira e parte passa aos cilindros. À medida que a velocidade
aumenta, a quantidade de calor passando aos cilindros na unidade de tempo, também
aumenta.
Como o cilindro não é aquecido uniformemente, pois o centro é sempre mais quente
que as bordas, haverá a tendência de mudar a forma do cilindro e, portanto, quanto
maior a velocidade, mais vigoroso deve ser o resfriamento.
No caso de chapas de aço comum, pode-se usar óleo solúvel, contendo até 90-95% de
água, sem detrimento à qualidade. No caso de aços ligados, a mistura óleo solúvel e
água, mancha a tira, devendo-se usar um óleo mineral ou orgânico, cuja capacidade de
resfriamento, em média, é metade da água. Por isso, a sua velocidade de laminação é
limitada a 300 m/min, enquanto o aço comum pode ser laminado a 1000-1200 m/min.
Ao laminar a frio chapas finas para carroçaria, utilizam-se, como lubrificantes, emulsões
de óleos minerais que servem, além de reduzir o coeficiente de atrito durante a
laminação, também para remover o calor gerado pelo trabalho de redução. Quando
porém, a espessura final é inferior a 0,35mm, o efeito lubrificante dos óleos
emulsionáveis (que em geral são hidrocarbonetos saturados de cadeia aberta) não é
mais suficiente; deve-se usar óleo de palma (azeite de dendê).
Ao contrário dos óleos emulsionaveis, que durante o recozimento gaseificam sem](https://image.slidesharecdn.com/siderurgiadamatprimaaolam-130504113348-phpapp01/85/Siderurgia-da-mat-prima-ao-lam-183-320.jpg)
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10.9 - LAMINADORES DE ENCRUAMENTO E DE ACABAMENTO
O material depois do recozimento, tem uma grande maleabilidade e em muitos casos, é
necessário aumentar a resistência à tração, o que é feito pelo encruamento, que
normalmente é uma redução da espessura da chapa.
A laminação de encruamento tem por fim: melhorar o aspecto da superficie que devido
ao recozimento tornou-se fôsca, tornando-a bem plana e brilhante; aumentar o limite de
deformação permanente; e evitar as linhas de Luder (Stretcher Strains) durante uma
estampagem posterior.
A redução varia de 0,5% até um máximo de 4%, dependendo da dureza superficial
desejada. O material para estampagem profunda recebe apenas uma redução de 0,5%
(Fig. 10.1), enquanto que o que se destina a partes estruturais sofre uma redução
maior.
As primeiras instalações de encruamento, eram de uma só cadeira, com a tensão
aplicada entre a desenroladeira e o laminador, por meio de freios mecánicos. A
demanda crescente de melhor acabamento e maior dureza superficial, obrigando a
passar as bobinas duas vêzes pelo mesmo laminador, levaram à construção de
instalações de duas cadeiras, principalmente para a fõlha-de-flandres.
Um laminador com duas cadeiras pode obter maiores reduções e também, atingir maior
tensão entre as cadeiras do que a possivel de obter entre uma única cadeira e a
bobinadeira. Esta tensão maior tende a aumentar o aplainamento e produzir um
material melhor que o obtido apenas pela laminação em uma só cadeira.
Fig. 10.1 - Laminador de encruamenlo de uma só cadeira para chapas laminada a frio
[81].
A tensão na desenroladeira deve ser controlada para evitar marcas de deformação,
"stretcher strains", que podem ocorrer se a tira é esticada demasiadamente antes de
laminar.
Durante a laminação de encruamento, a tensão deve ser suficiente para exceder o
limite de deformação permanente, mas não aproximar-se muito do limite de ruptura.](https://image.slidesharecdn.com/siderurgiadamatprimaaolam-130504113348-phpapp01/85/Siderurgia-da-mat-prima-ao-lam-186-320.jpg)
Carregado porCésar Augusto
Siderurgia da mat prima ao lam
O documento apresenta um resumo sobre o processo siderúrgico, desde a obtenção das matérias-primas até a produção do aço laminado. Inicia descrevendo brevemente a história da siderurgia e os principais conceitos e produtos. Em seguida, detalha os processos de preparação das matérias-primas, redução dos minérios de ferro, refino do aço, lingotamento, aquecimento, laminação e impactos ambientais da indústria siderúrgica. O objetivo é fornecer uma visão global dos
Siderurgia da mat prima ao lam
- 1. Gerência de Ensino Coordenadoriade Recursos Didáticos Apostila de SIDERURGIA da matéria prima ao aço laminado Vitória - Janeiro - 2006 COORDENADORIA DE ENGENHARIA METALÚRGICA
- 2. Centro Federal deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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.
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- 66. Centro Federal deEducação 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 deEducação 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 deEducação 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).
- 69. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 69 Fig.4.7 - Esquema geral de uma instalação Midréx Em alta temperatura (10000 C) ocorre as seguintes reações dentro do tubo: CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 CH4 + H2O = CO + 3H2 A temperatura do reformador é limitada pelos tubos refratários O reformador projetado para reformar misturas gasosas com: 5O% gás natural e 5O% gás de topo COMPOSIÇÃO DOS GASES Gás de topo: 25% CO, 20% C02, 30% H2, e 25%;H2O (antes de ser resfriado 320o C, após 50o C) Gás natural: 90% CH4 e 10% C2 H6) Gás reformado: 36% CO, 5O% H2 e 4% (CH4 + C02) FORNO REDUTOR Diâmetro inferior ≅ 4,8 m Volume interno ≅ 300 m3 Possui duas regiões
- 70. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 70 1) Zona de Redução 2) Zona de resfriamento 1) Parte superior - produz a redução do mineral a ≅ 1000o C pela ação do gás redutor 2) Parte inferior, perfil cônico,não revestido de refratário O gás frio é recirculado em circuito fechado Resfria o ferro-esponja para sair à 'T ≅ 35o C para evitar oxidação do ferro O minério (sinter, pelota) é introduzido na parte superior do forno São reduzidos pelo gás reformado ascendente do forno a ≅ 1000o C, a qual entra no meio do forno. Reações: 3 Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O FeO + CO = Fe + CO2 FeO + H2 = Fe + H2O Dois terços do gás do topo é misturado com gás natural e levando ao reformador 1/3 - combustível e 2/3 - gás para reforma Em sua descida o ferro esponja passa pela região de resfriamento onde encontra o gás de resfriamento (20% CO e 40% H2) O ferro esponja sai do forno à ≅ 35o C O processo é continuo O processo de obtenção do ferro esponja dura aproximadamente 6,0 horas.
- 71. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 71 04.2.2 - PROCESSO HyL Desenvolvido em 1953, México pela Hojolata Y.Lamina. É aplicável em Países que dispunham de metano (CH4) a baixo preço e minério de alta qualidade. Pois a ganga não pode ser escorificada. É um processo descontinuo(4 retortas)) Os minérios são reduzidos pelo gás redutor obtido de gás natural reformado com excesso de H2O. Em 1955 foi o Inicio de funcionamento da primeira instalação. Em 1957 produção de 200ton./dia, 1960 – 500ton./dia. 1970 - Inicio de utilização de pelotas (9 a 15mm). De todos os processos atuais de fabricação de ferro esponja o HyL é o que leva mais anos fabricando grandes qualidades. É o processo que produziu de maior quantidade de ferro esponja no mundo DESCRIÇÃO DO PROCESSO Minério de ferro ou pelotas é reduzido a ferro esponja por um gás redutor - 16% CO, 72% H2. A redução se realiza com 4 reatores fixos R1,R2, R3 e R4 com capacidade 100 ton. cada, como pode ser visto na fig.4.8 O carregamento é feito na parte superior. Os gases redutores atravessam a carga de cima para baixo, e cada reator funciona independente dos demais. O gás redutor é preparado num único forno de reforma. O gás natural mais vapor passa por tubos inoxidáveis contendo catalisadores de níquel. Os tubos são aquecidos externamente a aproximadamente 800o C. Reação: CH4 + H2O = CO + 3H2 16% CO 3% CH4 N2 = O 3% Gás redutor - 72% H2 8% C02 O gás reformado passa sucessivamente por 3 reatores em série, em cada um dos
- 72. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 72 reatores o gás efetua distintas operações de redução. Na saida do terceiro reator o gás é utilizado como combustível em operações auxiliares, veja fig.4.9. Fig.4.8 - Esquema geral de uma instalação HyL para fabricar ferro esponja Fig.4.9 - Percurso do gás redutor no processo Hyl PERCURSO DOS GASES NO PROCESSO HyL 1a ETAPA - RESFRIAMENTO DA CARGA O gás reformado ao sair do reator de reforma troca calor com uma caldeira para produzir vapor. Em seguida passa num resfriador para condensar o vapor d'água. Depois .de frio, o gás se destina ao reator que esta em resfriamento do ferro-esponja quente.
- 73. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 73 O gás resfria o ferro esponja e se pré-aquece. Devido a alguma pré-redução, o gás absorve água. Então o gás passa num resfriador para condensar a água. 2a ETAPA - REDUÇÃO PRINCIPAL O gás passa por um pré-aquecedor tubular (aquecido com gás combustível saído do terceiro reator). A temperatura do gás aumenta para 800o C. O gás entra numa câmara de combustão parcial controlada (gás redutor + AR) e a temperatura sobe para 1050o C. Em seguida o gás entra no reator em que o material sofreu redução secundária e está quente. Após o gás realiza a redução principal, ou seja: Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O FeO + CO = Fe + CO2 FeO + H2 = Fe + H2O O gás sai com mais CO2 e H2O e passa num resfriador p/ condensar H2O. 3a ETAPA - REDUÇÃO SECUNDÁRIA O gás é novamente pré-aquecido no pré-aquecedor e posteriormente na câmara de combustão até T ≅ 1050o C. Em seguida, o gás entra no reator que foi recentemente carregado para fazer a redução secundária e pré-aquecer a carga. Posteriormente o gás passa num resfriador para condensar H2O. O gás é então utilizado como combustível nos fornos de pré-aquecimento e de reforma do gás. Composição química dos gases envolvidos no processo: H2 - 30% CO2 - 22%Gás Combustível ( após feita a redução secundária) CO - 16% N2 - 32% H2 - 72% CO2 - 8% CH4 - 3%Gás Reformado CO - 16% N2 - 0,3% H2 - 63% CO2 - 10% CH4 - 2%Gás da redução principal (gás que entra na redução principal) CO - 17% N2 - 8%
- 74. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 74 Composição típica de um ferro esponja: FeTotal 90 -97% FeMetálico 82 - 93% C 0,25 - 0,9% S 0,01% P 0,01% Ganga 2 - 6% Fig.4.10 - Percurso do gás redutor nas unidades do processo Hyl Ciclo operatório do procedimento HYL Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 Reator 1 Redução Secundária Redução Principal Resfriamento Carga e Descarga Reator 2 Carga e Descarga Redução Secundárl.a Redução Principal Resfriamento Reator 3 Resfriamento Carga e Descarga Redução Secundária Redução Principal Reator 4 Redução Principal Resfriamento Carga e Descarga Redução Secundária
- 75. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 75 04.3 - PROCESSOS DE REDUÇÃO INDIRETA O ferro é com certeza o mais versátil dos metais, cuja gama de aplicações estende-se aos próprios limites da imaginação. Em diversas aplicações de diversos materiais, sempre é possível encontrar uma liga que tenha como base o ferro. Dessa maneira a produção do aço em larga escala tornou-se uma necessidade mundial, notadamente no pós-guerra como o desenvolvimento industrial do mundo. O desenvolvimento das aplicações ou das qualidades dos diversos tipos de aço ou ligas de ferro em larga escala só foi possível graças a abundância do minério de ferro, sendo na maior parte na forma de óxidos. Por coincidência o minério de ferro pode ser reduzido num redutor extremamente abundante que é o carvão. Desta forma, passou-se então a desenvolver métodos e máquinas que associassem a esses três elementos: - Abundância de minério; - Abundância de carvões; - Abundância de aplicações; Resultando um processo chamado "Alto Forno" onde utiliza-se como fonte de calor e redutor o coque ou carvão vegetal e num outro chamado “Baixo Forno” ou forno elétrico de redução, que utiliza como fonte de calor a energia elétrica e como redutor o coque ou carvão vegetal. 04.3.1 – FORNO ELÉTRICO DE REDUÇÃO/BAIXO FORNO O forno elétrico de redução é o método de obtenção do gusa de maior importância depois do alto-forno. É utilizado onde o minério é de alta pureza e a energia elétrica é barata. Enquanto num alto forno o coque funciona como fonte de calor e redutor, no baixo forno o mesmo age apenas como redutor pois a fonte de calor é a energia elétrica. CARACTERÍSTICAS DO BAIXO FORNO O forno consiste numa câmara de fusão com três ou mais eletrodos passando através da abóbada, colocados, seja por linha ou em triângulo. (fig.4.11. e 4.12.) Perto da periferia da abóboda, estão os tubos de carregamento (geralmente seis), posicionados de cada lado dos eletrodos. ELETRODOS Sâo de carbono amorfo ou auto aglomerantes, a massa dos eletrodos é geralmente constituida de 25%piche, 25% coque e 50% carvão. O seu consumo é da ordem de 20 a 30 Kg/ton. quando se opera com carga de sinter e minério, respectivamente.
- 76. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 76 REFRATÁRIO Os fornos são revestidos com blocos de carbono até a linha de escória. Entre a carcaça metálica e os blocos de carbono utiliza-se uma 'parede protetora de tijolos, sílico-aluminosos. Na abóbada do forno utiliza-se massa refratária de modo a resistir até 12000 C e são sustentados por uma armação em anel, onde em seu interior circula água para refrigeraçao. CARCAÇA A tampa do forno possui as aberturas indispensáveis a passagem dos eletrodos, dos tubos de carregamento e de saida dos gases, além de portas de visita (man holes) que servem para observar o seu interior. TRANSFORMADORES Os transformadores são geralmente monofásicos e baixam a tensão da rede para 127 e 220 V, necessárias para o funcionmanento do forno. A ligação dos transformadores aos eletrodos é feita de tubos e barras de cobre. As placas de contato com o eletrodo são de cobre e refrigeradas à água. A altura dos eletrodos em relação à carga é controlada automaticamente, sobem quando a corrente é muito forte e baixa quando é muita fraca. CARREGAMENTO (FORNO TYSLAND-HOLE) A carga do forno, minério de ferro ou sinter, coque ou car vão vegetal e fundentes, são colocados em silos. Em seguida são introduzidos no forno por meio de tubos de alimentação (fig. 4.11.) As reações de redução do minério são as seguintes: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4+ CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe+ CO2 CO2 + C = 2CO SiO2 + 2FeO = 2FeO.SiO2 2MnO + SiO2 = 2MnO.SiO2 __ESCÓRIA 2CaO + SiO2 = 2CaO.SiO2 H2O +C = CO + H2
- 77. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 77 O gás produzido nas reações possui aproximadamente 70-85%CO e 10-20% H2. Portanto alto poder calorlfico 2500 Kcal/Nm3 , e um volume de 600 a 650 Nm3 /t. gusa. O forno Tysland - Hole produz normalmente 100 toneladas de gusa por dia e o seu consumo de energia é em torno de 2500 - 3000 Kwh/ton.e de coque 500 Kg/t.gusa. BAIXO FORNO STRATEGIC-UDY Este processo é desenvolvimento do processo Tysland-Hole. fig.4.12. O minério de ferro é incialmente parcialmente reduzido em um forno rotativo. Em seguida o material é carregado num forno elétrico arco submerso onde se completa a sua redução e se funde o gusa. 2) Fundações; 3) Elétrodos Soderberg; 4) Silos de alimentação da carga 5) Tubos de alimentação; 8) Transformador monofásico; 9) Calha de vasamento; e 12) Silos de minério e fundentes. Fig.4.11 - Seção através de um forno elétrico de redução (Tysland-Hole): Uma fração importante do calor para o pré-aquecimento é pré-redução do minério no forno rotativo é fornecido pela combustão do CO, proveniente do forno elétrico. A mistura de minério de ferro fundentes e redutor sólido são carregados continuamente no forno rotativo. No forno rotativo o minério é aquecido e pré-reduzido e o fundente é calcinado.
- 78. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 78 Os materiais saem do forno rotativo nas temperaturas de 980-1250o C. O carvão é adicionado em quantidades suficientes para realizar a redução no forno rotativo e elétrico. O carvão não utilizado no forno rotativo vai juntamente com o minério pré- reduzido e o fundente para o forno elétrico. Para economizar energia térmica e elétrica, o material quente, que sai do forno rotativo é carregado diretamente na zona de fusão do forno elétrico. Este tipo de carrrgamento pode-se utilizar finos sem interferência com a operação. O gás proveniente das reações no forno elétrico é queimado no forno rotativo fornecendo grande parte do calor necessário ao mesmo. VANTAGENS DO PROCESSO STRATEGIC-UDY Não é necessário preparação mecânica alguma do minério, pode-se utilizar finos abaixo de 10 mm. Pode-se usar qualquer tipo de carvão (antracito, betuminoso, lignito) ou coque como redutor. O consumo de carvão é da ordem de 450 Kg/t. e a energia elétrica de 1100 Kwh/'t. 1) Carregamento do minério e dos fundentes; 2) Alimentadores de combustível em quatro pontos, ao longo do comprimento; 3) Entrada de ar para controle da combustão; 4) Alimentação de combustível; 5) Carro balança; 6) Elevador da carga; 7) Ponte de carga do forno elétrico; 8) tubos de carregamento; 9) forno elétrico de redução; 10) Eletrodos Soederberg; 11) Panela de vasamento; 12) Retirada do gás
- 79. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 79 Fig. 4.12 - Representação esquemática do forno Strategic-Udy: 04.3.2 – ALTO FORNO O alto forno é um tipo de forno de cuba empregado na produção de ferro gusa, pela fusão redutora de minérios de ferro em presença de carvão vegetal ou coque e fundente, os quais são carregados no topo e, na descida, são transformados pela ação dos gases ascendentes, provenientes da combustão do carvão com o oxigênio soprado pelas ventaneiras, obtendo-se escória e ferro gusa líquidos pelo cadinho e poeiras e gases no topo. Fig.4.13 – Esquema mostrando um alto forno e seus principais equipamentos periféricos, como os regeneradores, ventoinhas, sistema de coleta de gases, casa de corrida, correia transportadora principal e carro torpedo. 04.3.2.1 - FERRO GUSA E SUBPRODUTOS Em um Alto Forno, o ferro gusa é o principal produto e o gás de topo, pó e escória, são recuperados como subprodutos. 1 - Ferro Gusa O ferro gusa pode ser diferentemente classificado de acordo com a matéria prima usada, constituintes e utilização. Geralmente é dividido em gusa para aciaria, gusa para fundição e gusa para ligas. Na utilização para aciaria o gusa usado é proveniente da mesma usina, desta forma, normas internas são feitas para controlar a composição química do mesmo.
- 80. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 80 Fig.4.14 – Vista aérea mostrando um alto forno e seus principais equipamentos periféricos, como os regeneradores, sistema de coleta de gases, casa de corrida e correia transportadora principal. 2 - Sub Produtos a) Gás de Alto Forno O gás de Alto Forno contém de 21 a 25% de CO, 18 a 22% de CO2, 2 a 5% de H2 possuindo 700 a 800 kcal/Nm³ de poder calorífico e por isso ele é recuperado e usado como combustível. O gás é limpo (no sistema de limpeza de gases), colocado em uso para diversos fins, tanto "puro" como em mistura com gás de coqueria ou com gás de convertedor. b) Pó de Alto Forno O pó recolhido no sistema de limpeza de gases, é formado pelo pó recolhido no balão de pó (dust catcher) e pelo pó úmido recolhido nos "Venturi scrubber" e/ou precipitadores elétrostáticos. A composição de pó varia de acordo com a matéria prima usada, porém, aproximadamente é composto por 25 a 40% de Ferro; 40 a 45% de C; 5 a 7% de SiO2 e 2 a 4% de CaO.
- 81. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 81 c) Escória de Alto Forno A quantidade de escória produzida é normalmente 250 a 340 kg/t de gusa. A escória de Alto Forno era descartada, porém agora ela é um subproduto se apresentando na forma de escória bruta (aterros) e escória granulada (usada na fabricação de cimento). 04.3.2.3 - CORPO PRINCIPAL DO ALTO FORNO O alto forno pode ser construído com chaparia de aço extradoce, protegida internamente com uma grossa camada de refratários dotados de camisas de refrigeração a água. Historicamente, o corpo principal do alto forno se divide em goela, cuba, ventre, rampa e cadinho, ou seja: 1. TOPO: É a parte superior do Alto Forno onde localizam-se os dispositivos de carregamento (cone grande, cone pequeno, bleeders, correia transportadora, etc.) 2. GOELA OU GARGANTA situa-se logo abaixo do cone grande, possui várias fieiras de placas de desgaste feitas em aço ou ferro fundido para proteger os refratários do impacto e da abrasão da carga ao ser aberto o cone grande. 3. CUBA Região logo abaixo da goela, os materiais carregados ainda estão no estado granular. 4. RAMPA É a região onde os refratários estão submetidos aos ataques mais severos, devido à ação do calor, pressão e ação da escória. Esta região é refrigerada externamente, podendo-se inserir entre os refratários varias placas de refrigeração ou staves. 5. VENTRE É a parte de maior diâmetro do Alto forno e região de alta temperatura. 6. CADINHO Região que contém o gusa e a escória. O diâmetro interno do cadinho mais o volume interno do forno são utilizados para representar o tamanho do forno. 04.3.2.4 – ASPECTOS INTERNOS DO ALTO FORNO 1. Zona Granular É a região onde o minério e coque descem como carga sólida, ela engloba a zona de reserva térmica e química.
- 82. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 82 Inicialmente, o mineral de hematita (Fe2O3) é reduzido a magnetita (Fe3O4) pela ação do gás reduto CO logo após o carregamento no topo. Durante a descida de carga, ainda na cuba a magnetita continua reagindo com o CO formando então o óxido de ferro wustita (FeO). Finalmente, por volta de 1000o C, logo no início da zona coesiva ou zona de amolecimento e fusão, a wustita reduz a ferro metálico. Esta região utiliza a carga térmica e o potencial redutor dos gases provenientes das regiões inferiores. Portanto, as reações de redução são feitas sem consumo de carbono. A temperatura nesta região varia de 200 a 1000o C. REAÇÕES: Para temperaturas entre 200 a 950o C, ocorre preaquecimento da carga e secagem e redução indireta dos minérios, ou seja: 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 ΔH = - 10,33 Kcal/mol Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 ΔH = + 8,75 Kcal/mol Para temperaturas à 900o C ocorre a calcinação do calcário e as seguintes reações: CaCO3 → CaO + CO2 ΔH = + 43,35 Kcal/mol CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = - 9,68 Kcal/mol 2CO → CO2 + C ΔH = - 41,21 Kcal/mol Para temperaturas entre 950o e 1000o C situa-se a zona de reserva térmica e química, e a seguinte reação está em equilíbrio termodinâmico. FeO + CO → Fe + CO2 ΔH = - 3,99 Kcal/mol
- 83. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 83 Fig.4.15 – Perfil de um alto forno em corte vertical, mostrando as partes externas e as zonas internas. 2. Zona Coesiva ou Zona de Amolecimento e Fusão (1000 a 1450o C). Nesta região os minérios amolecem e fundem, a camada de coque permanece sólida permitindo o escoamento do fluxo gasoso para as partes superiores (cuba) do alto forno (janelas de coque). Aparece a formação de ferro metálico e escória primária líquida com baixo ponto de fusão (1300o C) e com alto teor de FeO, até 40%. Nesta região ocorre a reação de Boudouard (CO2 + C → 2CO ) altamente endotérmica. Portanto, redução do óxido de ferro nesta região implica em aumento de consumo de carbono e calor. Reações: CaCO3 → CaO + CO2 ΔH = + 43,35Kcal/mol A redução direta que ocorre nesta região é resultado da soma das seguintes reações: FeO + CO → Fe + CO2 ΔH = - 3,99 Kcal/mol CO2 + C → 2 CO ΔH = + 41,21 Kcal/mol FeO + C→ Fe + CO ΔH = + 37,22 Kcal/mol
- 84. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 84 Formação da escória primária: SIO2 + 2FeO → 2FeO.SiO2 Al2O3 + FeO → FeO.Al2O3 SiO2 + MnO → MnO.SiO2 SiO2 + 2CaO → 2CaO.SiO2 A composição da escória primária é a seguinte: SIO2 AL2O3 CaO MgO FeO MnO 25,6% 8,5% 27,9% 3,2% 25,4% 8,88% Esta região é a que oferece a maior resistência à passagem dos gases redutores, sendo responsável por cerca de 50% da perda de pressão. 4.16 – Esquema da distribuição de carga dentro da zona de amolecimento e fusão (zona coesiva) em um alto forno. 3. Zona de Gotejamento (1400o C a 1800o C) O metal e a escória líquidos descem sob um leito poroso de coque em contra corrente com o gás redutor. Nesta região ocorre a redução das impurezas do minério e parte do FeO contido na escória (redução rápida do FeO da escoria para teores de 5%) e a formação da escória secundaria com dissolução do CaO. Reações: FeO(l) + CO → Fe(l) + CO2 CO2 + C → 2CO P2O5 + 5CO → 2P + 5CO2 P2O5 + 5C → 2P + 5CO SiO2 + 2C → Si + 2CO
- 85. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 85 FeS + CaO + C → CaS + CO + Fe FeS + MnO + C → MnS + Fe + CO MnS + CaO + C → Mn + CaS + CO 4. Zona de Combustão (2000o C). O ar quente soprado pelas ventaneiras, na parte superior do cadinho, faz o coque entrar em combustão elevando a temperatura acima de 1900°C na zona de combustão e os gases resultantes sobem aquecendo toda a carga. Reações: C + O2 .→ CO2 e mais calor Em presença de muito carbono (atmosfera redutora) e em temperaturas acima de 1000o C o gás CO2 resultante da combustão do coque com o ar, reage com o carbono formando o gás redutor CO. CO2 + C → 2CO O CO em ascenção é o principal agente redutor do minério de ferro. Ocorre também a formação da escória final com a dissolução da cal que não foi incorporada na rampa e a absorção de cinza do coque (SiO2)
- 86. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 86 Fig.4.17 – Esquema de uma seção vertical em frente a uma ventaneira de alto forno. 5. Zona do cadinho: Nesta região, o gusa e a escória líquidos e o coque se acumulam num recipiente refratário. O cadinho também contém um ou mais furos de gusa, por onde ocorre o esgotamento do mesmo para a casa de corrida. 04.2.2.5 - PERIFÉRICOS DO ALTO FORNO 1 - SISTEMA DE CARREGAMENTO: Os pequenos altos fornos são alimentados com carga sólida por meio de skipers e os grandes por meio de correias transportadoras. Estando no topo, a carga pode ser introduzida no alto fomo através de sistema de cones ou por calha giratória. 2 – EQUIPAMENTOS DE OPERAÇÃO PARA PRESSURIZAÇÃO DO TOPO: Estes equipamentos possuem a função de manter o topo do alto forno pressurizado, entre 1,5 e 2,5kgf/cm2 , para reduzir a perda de carga entre o topo e as ventaneiras,
- 87. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 87 reduzindo assim a velocidade ascendente do gás e facilitando as reações de redução na cuba. Fig.4.18 – Sistema de carregamento e pressurização do topo de um alto forno com duplo cone, incluindo limpeza de gases (AF1 da CST). Fig.4.19 – Seqüência de carregamento do topo de um alto forno com duplo cone.
- 88. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 88 Fig.4.20 – Sistema de carregamento e pressurização do topo de um alto forno com calha rotativa (AF2 CST). 3 - SISTEMA DE LIMPEZA DOS GASES O gás que sai no topo do alto fomo arrasta consigo poeiras (15 a 35gNm3 ) que não podem ser lançadas na atmosfera, por isso, todo o material é submetido a um sistema de controle ambiental que separa todas as partículas sólidas, formando uma lama que é aproveitada na sinterização. A limpeza do gás é geralmente feita por um coletor de pó, venturis, lavador de gás(bischoff), precipitador eletrostático e separador de neblina. Os sistemas de limpeza de gases podem ser visto nas fig.4.18 e 4.20. O gás de alto forno limpo é empregado no aquecimento dos regeneradores e também é mandado para o um gasômetro, onde é distribuído para toda a usina e posteriormente misturado a outros gases combustíveis gerados na própria usina. A combustão da mistura de gases pode ser usada na produção de vapor para produção de energia nas termoelétricas. 4 - ANEL DE VENTO: Trata-se de um anel tubular que envolve o alto fomo na altura da rampa, que recebe o ar quente dos regeneradores e o distribui para o interior do alto fomo pelas ventaneiras.
- 89. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 89 5 – CASA DE CORRIDA: É a área em volta do cadinho destinada às corridas de ferro gusa e escória. Na CST, os furos de corridas são abertos com perfuradores pneumáticos e fechados por canhões hidráulicos para projeção de massa. No caso do forno 1, o sistema possui, normalmente, um canal em reforma, um aguardando operação e dois operando, estes em casas de corridas diferentes, tendo como objetivo manter o forno sempre esgotado. Fig.4.21 – Lay Out da casa de corrida do Alto Forno 1 da CST. 6 - SEPARAÇÃO DO GUSA E DA ESCÓRIA: O gusa e a escória saem juntos por um único furo no cadinho, chamado furo de gusa. A separação do gusa e da escória se faz por diferença de densidade no canal de corrida principal. O gusa, mais denso, segue por outros canais em direção ao carro torpedo, e a escória segue para o sistema de granulação, onde a mesma recebe jatos de água pressurizados ficando com granulação fina devido ao choque térmico. Após desidratação da escória, ela é vendida para fábricas de cimento.
- 90. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 90 Fig.4.22 – Foto de parte do Alto Forno da CST, onde aparece a casa de corrida, anel de vento e conjunto de ventaneiras. Fig.4.23 – Esquema mostrando a separação do gusa e da escória na casa de corrida. 7 - SISTEMA DE INJEÇÃO DE AR PELAS VENTANEIRAS: O sistema é constituído por: a) Tubulação de entrada do ar - Anel de vendo (tubulão),
- 91. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 91 b) Mais de 20 derivações de: (AF1 da CST possui 38) b.1)Redução superior b.2) Curva superior b.3) Junta de expansão b.4) Joelho / cotovelo b.5) Algaraviz (refrigerado com água). b.6) Frame (refrigerado com água) b.7) Caixa de refrigeração (cobre eletrolitico refrig. c/ água) b.8) Ventaneira (cobre eletroli tico refrigerado com água) – em alguns algaraviz possui uma lança para injeção de carvão pulverizado pelas ventaneiras. Fig.4.23 – Esquema mostrando um sistema de injeção de ar pelas ventaneiras do alto forno. 8 - REGENERADORES OU COWPERS: São trocadores de calor que recebem o ar na temperatura ambiente, o aquece a cerca de 1200°C e envia para o anel de vento do alto fomo. Se o ar necessário à combustão fosse introduzido pelas ventaneiras à temperatura ambiente, seria necessário maiores quantidades de coque para gerar calorias para aquecer os gases redutores até as temperaturas de trabalho do interior do forno. Desta forma, utiliza-se parte dos gases do Alto Forno (BFG), misturados com o gás de coqueria (COG) para pré-aquecer o ar a temperaturas da ordem de 800 a 1200o C. Em média cada 100o C de aquecimento a mais no vento, reduz o consumo de coque de 20 a 40 Kg/t gusa. 8.1 - FUNCIONAMENTO DE UM REGENERADOR O gás misto (COG mais BFG) é introduzido juntamente com o ar perto da base da camara de combustão. O gás é queimado no interior da câmara de combustão, sobe
- 92. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 92 pela mesma e atravessa os os tijolos refratários da câmara de regeneração. O gás queimado cede calor aos tijolos e sai por volta de 1500o C. Após aproximadamente 50min, o refratário atinge temperaturas; 1400o C. O ar soprado faz o caminho inverso do gás , ou seja, atravessa a câmara de tijolos refratários, se aquece e sai no terço inferior do ducto da câmara de combustão. A temperatura do ar injetado nas ventaneiras é controlada automaticamente pela adição do ar frio na tubulaçãode ar quente que vai para as ventaneiras, por meio de uma câmara de mistura. Fig.4.24 – Esquema mostrando regeneradores de câmara de combustão interna e externa. 9 - SILOS DOS ALTOS FORNOS: Na CST, existem 12 silos de 500m3 para sinter, minério e pelotas; 4 de 200 m3 para small-coque e fundentes e 4 de 850 m3 para coque.
- 93. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 93
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- 105. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 105
- 106. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 106 05 - PROCESSOS DE REFINO DO AÇO 05.1 – ANÁLISE TERMODINÂMICA DAS REAÇOES DE REFINO
- 107. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 107
- 108. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 108
- 109. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 109
- 110. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 110
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- 112. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 112 05.2 - DESSULFURAÇÃO O ferro gusa gerado nos altos fornos possuem elevados teores de enxofre, elemento indesejável na maioria dos aços e de difícil eliminação nos convertedores. Para que ocorra condição ideal para a dessulfuração é necessária uma escória bastante básica (rica em CaO) e uma atmosfera redutora(rica em CO). O alto forno possui atmosfera redutora, mas a sua basicidade é limitada para se produzir uma escória líquida e fluida (CaO/SiO2 = 1,2). No caso da aciaria, temos excesso de cal, mas a atmosfera é oxidante. Portanto, nem o alto forno nem a aciaria possui condições ideais para a dessulfuração. Por essa razão, o ferro gusa deve ser dessulfurado, ainda nos carros torpedos, antes de seguir para a aciaria, numa estação de dessulfuração onde se cria as condições ideais. A mistura dessulfurante, na média, é composta por 50% de carbureto, 38% de calcário e 12% de coque. Esse último tem a função de garantir a atmosfera redutora necessária para que as reações ocorram. O calcário fornece cal para dar uma alta basicidade necessária à dessulfuração e o dióxido de carbono confere agitação ao banho, garantindo maior rendimento e o carbureto é a principal fonte de cálcio e também fornece carbono ao banho. 05.2.1 – REAÇÕES NA DESSULFURAÇÃO A seguir escreveremos as principais reações que ocorrem durante a dessulfuração do ferro gusa: Decomposição do calcário: CaCO3 → CaO + CO2 .
- 113. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 113 Escorificação do enxofre: FeS + CaO + CO → CaS + Fe + CO2. A mistura dessulfurante é introduzida no carro torpedo por meio de uma lança que forma um ângulo de injeção de 70°, nas 3 primeiras dessulfurações e de 110° nas demais, para garantir um desgaste uniforme do refratário do torpedo e evitar a formação localizada de cascão. Fig.5.1 – Esquema mostrando uma estação de dessulfuração de gusa no carro torpedo. Fig.5.2 – Esquema mostrando o percurso do gusa líquido até o convertedor
- 114. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 114 05.3 - PRODUÇÃO DO AÇO EM CONVERTEDOR: Os processos de fabricação de aço são designados pelo tipo de forno (Bessemer, Siemens-Martin, LD, Elétrico, etc.) e a natureza da escória (ácida ou básica). A transformação do gusa líquido em aço envolve: a) a diminuição dos teores de carbono, silício, fósforo, enxofre e nitrogênio a níveis bastante baixos: b) a adição de sucata ou minério de ferro para ajustar a temperatura do aço bruto; c) o ajuste dos teores de carbono, manganês, elementos de liga e da temperatura no forno ou na panela de vazamento. Nas duas últimas décadas, procurou-se pré-tratar o gusa líquido, pela dessulfuração e, até com um pré-refino, ( desiliciazação, desfosforação e dessulfuração ). 05.3.1 - PROCESSOS DE SOPRO PNEUMÁTICO: Até 1856, quando Henry Bessemer na Grã-Bretanha e William Kelly, nos Estados Unidos, quase simultaneamente, inventaram o processo de sopro pneumático, o aço era obtido apenas pela refusão de pequenas quantidades de sucata em fornos de cadinho ou pelo penoso processo de pudlagem em fornos de revérbero. Inicialmente o convertedor com sopro atmosférico utilizava revestimento ácido (pedra silicosa). Devido a necessidade de se baixar o teor de fósforo, foi-se necessário utilizar escórias básicas, desta forma, o revestimento ácido do convertedor Bessemer se consumia muito rapidamente, pois reagia com a escória. Graças aos trabalhos de Sidney Gilchrist Thomas, o convertedor recebeu o revestimento básico (dolomítico), em 1877. Tal descobrimento permitiu a remoção do fósforo dos minérios europeus com teor mais elevado deste elemento. No processo Bessemer ácido, o conversor é carregado com gusa líquido a uma temperatura de 1300 a 1400°C e o calor necessário para: a) elevar a temperatura do ar até a do metal líquido, b) fundir as adições, c) compensar as perdas térmicas de condução e convecção através do revestimento e pela radiação da camada superior do banho. Em princípio, a operação do conversor consiste na injeção de ar sob pressão pela parte inferior por meio de canais nos refratário chamados de ventaneiras, fazendo com que o ar atravesse o banho de gusa líquido. O oxigênio do ar combina-se com o ferro, formando o FeO que, por sua vez, combina- se com o silício, o manganês e o carbono; portanto, estas impurezas são eliminadas,
- 115. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 115 seja sob a forma de escória, (SiO2, MnO), ou de gás, (CO), que inflama-se na boca do convertedor. Um dos fatores mais importantes era a temperatura do gusa: tanto o seu calor sensível (temperatura física), como o seu calor latente, isto é, o teor de elementos que, ao queimar, geravam calor. Um gusa "fisicamente quente" permitia a adição de sucata no conversor. (aproveitando-se assim, pontas e recortes das operações laminação) e, também, sopragem rápida sem projeções. A temperatura do gusa, ao ser vertido no conversor, não deveria ser superior a 1250°C. Para a produção do aço Bessemer, preferia-se gusa com a seguinte composição: Si = 1,10 a 1,50%; Mn = 0,40 a 0,70%e P = 0,090% máximo. O silício, se mais baixo, teria a tendência de causar corridas frias. O manganês, acima de 0,70%, ocasionava uma escória muito fluida, resultando em projeções e mais difícil separação entre ela e o aço. Fig.5.3 – Esquema de um convertedor Bessemer.
- 116. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 116 Fig.5.4 – Convertedor Bessemer no museu Kelham Island, Sheffield, Inglaterra (2002). 05.3.1.1 - PROCESSOS DE SOPRO A OXIGÊNIO A idéia original foi exposta pelo próprio Sir Henry Bessemer em 1856, porém, as dificuldades na obtenção do oxigênio puro, em quantidades industriais, não permitiram a sua utilização prática. Somente após do desenvolvimento das grandes instalações para produção de oxigênio, é que a idéia foi novamente retomada por vários metalurgistas. Em 1939, Otto Lellep em Oberhausen e em 1941, Carl Valerian Schwarz em Aachen na Alemanha; em 1947, Prof. Robert Durrer na Suíça e, em 1949, Heribert Trenkler na Áustria, experimentaram a utilização de oxigênio em convertedores. Finalmente, em novembro de 1952, iniciou-se a operação da Aciaria I da Voest, com dois convertedores de 30 ton., sendo que a primeira instalação no hemisfério sul foi a da Cia. Siderúrgica Belgo-Mineira em Monlevade-MG, inaugurada em outubro de 1957. As vantagens dos processos a oxigênio são: a) rapidez na transformação do gusa em aço; b) o reaproveitamento da sucata de recirculação, (gerada na própria usina) e que corresponde a 20% do aço bruto. Esta sucata é isenta das impurezas que a sucata externa externa (ferro velho ), contêm. MATERIAIS UTILIZADOS:
- 117. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 117 1- OXIGÊNIO Deve-se ter no mínimo 99,5% de pureza. Os restantes 0,2 a 0,3% consistem em: 0,2% de argônio e 0,005% máximo de nitrogênio, (importante para evitar fenômenos de envelhecimento sob tensão). A vazão de O2 deve ser a velocidades supersônicas para penetrar na camada de escória e, também, para evitar o entupimento dos bocais da lança. É, igualmente relevante para determinar a altura do bocal em relação ao banho, de importância para controlar o grau de oxidação da escória e de remoção do enxofre e do fósforo. 2- GUSA Contém: 4,0 a 4,5% de C, 0,5 a 1 ,5% de Si, 0,3 a 2,0% de Mn, 0,03 a 0,05% de Se 0,05 a 0,15% de P. O metal líquido, depois de vazado na panela, ao resfriar, atinge a saturação com o carbono. No vazamento do alto forno, a temperatura do gusa é de 1480 a 1510°C, pois até o carro torpedo chegar ao convertedor haverá uma perda de temperatura do gusa de cerca de 135o C, e o processo de refino necessita de uma temperatura do gusa acima de 1400o C. Com a queda da temperatura, o excesso de carbono deixa o banho sob a forma de grafite, poluindo o ambiente. Entre 80 a 75% da carga do convertedor é constituída de gusa líquido, sendo o restante, de sucata. A dessulfuração do gusa pode ser feita no carro torpedo ou na panela de carga. Neste último caso, o grau de tratamento pode ser ajustado individualmente para cada corrida. Os agentes dessulfurantes utilizados são: Magnésio, Carboneto de Cálcio e o Carbonato de Cálcio. O uso deste último tem dois inconvenientes: alto consumo específico e baixo poder dessulfurante. A injeção de magnésio tem como base a elevada afinidade deste com o enxofre. Como o magnésio tem baixo poder de ebulição (1100o C) e vaporiza facilmente, deve ser misturado com cal ou coque (formando briquetes). A geração de escória varia de 5 a 16 kg/t de gusa, dependendo da taxa de injeção e da escumagem efetuada. 3- SUCATA São usadas: tanto a sucata interna, (pontas de lingotes, de placas ou blocos, de tarugos ou de corte de chapas), como a externa, (sucata de operações industriais: de estamparia ou prensagem, ou de obsolescência: ferro-velho). Com a sucata externa, há o risco de contaminação, (metais não ferrosos, tintas, etc.). 4- ESCORIFICANTES
- 118. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 118 Usa-se cal, dolomito calcinado e fluorita. Na cal, procura-se alta porosidade e elevada reatividade. Cal dolomítica pode ser usada para proteger o revestimento de magnésia ou de dolomita do conversor, procurando-se operar com 4 a 6% de MgO na escória. O consumo de cal dolomítica é da ordem de 30 a 35 kg por t de aço. A fluorita promove a dissolução da cal e baixa o ponto de fusão, alem de estimular a fluidificação da escória. 5- FERRO-LIGAS Fe-Cr e maiores quantidades de Fe-Mn podem ser adicionados no estado líquido durante o vazamento. Pode-se empregar um forno de indução para este fim, evitando- se ter que superaquecer o banho para dissolver as ferro- ligas. 6- REFRATÁRIOS A duração do revestimento tem evoluído pela utilização de refratários de melhor qualidade e pelo emprego de revestimentos diferenciados, embora, por outro lado, as temperaturas do aço líquido tenham aumentado por causa do lingotamento contínuo e do desenvolvimento da metalurgia secundária. Um amplo leque de materiais está à disposição, como tijolos de dolomito ligado com alcatrão; dolomito enriquecido com carbono, ligado com alcatrão; dolomito-grafite enriquecido com carbono, ligado com alcatrão; dolomito enriquecido com magnésia, ligado com alcatrão; magnésia, ligada com alcatrão; magnésia, ligada com alcatrão e impregnada com piche; magnésia-grafite, ligada com alcatrão ou resina, magnésia, queimada, impregnada de alcatrão. Aditivos metálicos, como alumínio, magnésio e silício, ou combinações destes elementos, são usados para evitar a oxidação do carbono. Estes metais não só aumentam a resistência à oxidação, como também, reduzem a porosidade e evitam a penetração da escória, pela formação de óxidos e carbonetos; outrossim, melhoram a resistência a quente, tanto à corrosão com à erosão. O consumo de refratário depende do tipo de revestimento, da geometria do conversor e do programa de produção, variando entre 1 ,5 a 8 kg/t de aço. 05.3.1.1.1 - CONVERTEDOR LD. O convertedor tem a forma de um barril sendo basculado para carga ou vazamento, em torno de um eixo horizontal, acionado por conjuntos de motores e redutores. Para a chaparia, é utilizado um aço baixa liga ao cromo-molibdênio. Logo junto à carcaça metálica, em aço resistente ao envelhecimento, com 35 a 75 mm de espessura, é colocada uma camada de tijolos de magnésia calcinada, como revestimento permanente, seguindo-se uma camada de magnésia apisoada, como separação e uma camada de desgaste, em blocos de dolomita calcinada impregnada com alcatrão. O fundo é de chapa metálica reforçada, seguindo-se várias fieiras de tijolos de magnésia, até a camada de desgaste, em blocos de magnésia calcinada e impregnada.
- 119. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 119 A lança consiste de 3 tubos concêntricos, de aço sem costura, terminando num bocal de cobre eletrolítico; no interno, flue o oxigênio; o intermediário, é para a alimentação da água de resfriamento e o esterno, para o retomo da água aquecida. A ponta da lança contém 3 a 5 dutos em forma de venturi, para obter a velocidade supersônica do gás. Um sistema de talha elétrica, comandado da plataforma do conversor, suspende ou abaixa a lança. Dispositivo de segurança impede a sua queda, no caso de ruptura do cabo de sustentação; a duração média de uma lança é de algumas centenas de corridas. Fig.5.5 – Esquema de um convertedor a oxigênio.
- 120. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 120 Fig.5.6 – Seção de um convertedor a oxigênio LD, mostrando a posição da lança, refratários, carcaça metálica, furo de corrida e do anel-suporte. OPERAÇÃO Com o convertedor inclinado, a sucata é carregada por uma calha ou por um vagão basculador, seguindo-se o gusa líquido. Colocado na posição vertical, introduz-se a lança de oxigênio até a altura pré- determinada (1,0 a 1,5m distante do banho). A pressão de oxigênio varia de 10,5 a 12,6 atmosferas. Após a ignição, que ocorre depois de alguns segundos, faz-se o carregamento da cal por meio do silo montado sobre o forno. O tempo de sopro varia entre 17 a 18 minutos e o tempo total da corrida é de aproximadamente 35 minutos. O rendimento em aço produzido, em relação aos materiais carregados, é da ordem de 90%. O consumo de oxigênio a 99,5% de pureza é, aproximadamente, de 57 Nm3 por tonelada de aço. Completado o sopro, a lança é retirada e o conversor basculado para a horizontal. Mede-se a temperatura do banho com um pirômetro de imersão e colhe-se uma amostra para análise, que é feita entre 3 a 5 minutos. No final do vazamento, retém-se a escória no conversor com o "tampão flutuante" de modo a vedar o furo de corrida quando a escória começar a vazar. Para vazar a escória, bascula-se completamente o conversor para o lado oposto sobre o pote de escória e prepara-se o conversor para a corrida seguinte. As adições de liga são feitas no jato, durante o vazamento na panela.
- 121. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 121 Fig.5.7 – Esquema de um Layout básico da área de refino de uma aciaria LD, vista aérea mostrando área de sucata, convertedores e virada do carro torpedo. Fig.5.8 – Esquema de um Layout básico da área de refino de uma aciaria LD, vista em corte mostrando convertedor, panela de gusa coleta de gases e sala de controle.
- 122. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 122 REAÇÕES: A primeira reação que ocorre no convertedor é o oxigênio que sai da lança e encontra o ferro metálico no banho líquido. Este contato ocorre não pela afinidade do oxigênio pelo ferro, pois outros elementos como silício, carbono e manganês, possuem mais afinidade pelo oxigênio, mas pela grande quantidade de ferro no banho (mais de 97%). A reação então é: 2Fe + O2 → 2FeO Em seguida devido à maior afinidade do silício pelo oxigênio, este reage com o FeO, retornando o ferro para o banho. 2FeO + Si → SiO2 + 2Fe Em seguida o manganês se oxida da mesma forma. FeO + Mn → MnO + Fe A silica formada combina-se com o FeO, MnO e cal do fundente para formar a escória FeO + SiO2 → 2FeO.SiO2 CaO + SiO2 → CaO.SiO2 MnO + SiO2 → MnO.SiO2 Em seguida a oxidação do carbono FeO + CO → Fe + CO2 2C + O2 → 2CO C + O2 → CO2 A partir dos convertedores LD desenvolveram-se outros processos de refino a oxigênio procurando-se fazer uma melhor distribuição dos gases no interior do convertedor de modo a facilitar as reações de oxidação das impurezas e com isto melhorar a qualidade do aço produzido.
- 123. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 123 Fig.5.8 – Operação de sopro de um convertedor LD 05.3.1.1.2 - CONVERTEDOR LD-KGC. Este convertedor é o utilizado pela CST. Pela lança é feita a injeção de oxigênio pela boca do convertedor, e pelo fundo sopra-se argônio com a finalidade de promover melhor homogeneidade do banho e facilitar as reações de oxidação. O argônio é injetado pelo fundo do convertedor por meio de canais no refratário chamados de ventaneiras. Após terminado o sopro, reduz-se a vazão do argônio ao mínimo para evitar o entupimento das ventaneiras pela escória que ficou retida no convertedor. Somente neste último caso pode-se substituir o argônio pelo nitrogênio. Fig.5.9 – Esquema de um convertedor LD-KGC.
- 124. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 124 05.3.1.1.3 - CONVERTEDOR K-BOP E Q-BOP. Com a melhoria dos materiais refratários, pode-se desenvolver o convertedor K-BOP que utiliza a injeção de oxigênio por cima com lança e também por baixo, substituindo o argônio. Com isto obteve-se melhorias significativas na qualidade do aço. O processo Q-BOP (Quick ou Quiet-Basic-Oxygen Process) inicialmente chamado de processo OBM (Oxygen-Botton-blowing-Max-hutte) foi desenvolvido na Alemanha, a partir de 1967,pela Eisenwerk- Gesellschaft Maximilliams-hutte, em colaboração com a Air Liquide (Canadá). Estudos semelhantes foram realizados ao mesmo tempo pelo CRM e pelas Forges de Thy-Marcinelle et Monceau, na Bélgica. O processo se constituía pela injeção de oxigênio somente pelo fundo, como o utilizado por Bessemer. Porém, devido às altas temperaturas geradas nas ventaneiras, era necessário a utilização de fluidos refrigerantes. Utilizou-se hidrocarbonetos gasosos(propano, butano, gás natural, etc...) como fluído re frigerante. O processo Q-BOP é, hoje o maior desafio ao processo LD. Os defensores do processo (Q-BOP) alinham, como vantagens sobre o LD um menor investimento, menores custos operacionais e maior produtividade, e como desvantagens o consumo de gás natural ou outro hidrocarboneto, e de nitrogênio, durante o basculamento e parada do forno. Essas informações. Entretanto, devem ser objeto de certas considerações. Fig.5.10 – Esquema de um convertedor Q-BOP.
- 125. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 125 Fig.5.11 – Esquema mostrando percurso do aço na aciaria. 05.4 - REFINO SECUNDÁRIO: 05.4.1 - DEFINIÇÃO Os processos de fabricação do aço são processos oxidantes, portanto, a quantidade de oxigênio no mesmo supera em muito teores admissíveis para alguns produtos. Durante o vazamento ocorre também a absorção de alguns gases como nitrogênio e hidrogênio. Depois do vazamento, com a perda de temperatura a solubilidade desses gases no aço diminui drasticamente, formando bolhas e inclusões. Desta forma, foram desenvolvidas técnicas de desoxidação onde se obtem os valores desejados. Alem da desoxidação, o refino secundário permite o ajuste de temperatura, da composição química, adição de elementos especiais, dessulfuração para teores abaixo de 0,005%, desfosforação e descarburação para teores abaixo de 0,002%. Refino secundário é definido como o trabalho metalúrgico de refino ou ajuste da composição química e da temperatura, realizado fora do forno primário de fusão, fazendo-se uma ou mais das seguintes operações unitárias: a) Tratamento sob vácuo, para remoção de gases, b) Agitação por borbulhamento de gás, para homogenizar o banho, c) Mistura completa de adições, d) Refino de aço pelo uso de escória sintética, e) Manutenção de uma atmosfera de gás inerte na panela, f) Aquecimento do aço líquido. Alguns dos motivos seriam:
- 126. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 126 1. Aumento da produtividade no conversor a oxigênio, ao descarburar a nível baixo, (0,03 a 0,06% de C), seguindo-se uma recarburação e o ajuste da temperatura, na panela. 2. Aumento da produtividade do forno elétrico, ao produzir aços especiais, transferindo- se as operações antes realizadas com uma Segunda escória, para o forno de tratamento. 3. Melhor controle da temperatura para o Lingotamento Contínuo. 4. Maior facilidade em atingir limites estreitos de composição e de propriedades mecânicas. 5. Obtenção de níveis de hidrogênio inferiores a 1,5 ppm e alcançar reduzidos teores de enxofre. 6. Fabricação de aços para esmaltação ou inoxidáveis ferríticos de baixo teor de Carbono. 7. Produção de aços ao cromo contendo carbono, em conversor a oxigênio. 8. Obtenção de níveis bastante baixos de enxofre, (normalmente inferiores 0,010%). Em resumo as vantagens econômicas seriam: a) redução nos gastos com materiais, tais como os elementos de liga, b) menor consumo de energia, c) aumento de produção, pois a unidade primária é aliviada de todo o trabalho metalúrgico, como: descarbonetação, dessulfuração, ajustes de composição, etc. 05.4.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS Pode-se agrupa-los em duas categorias: 1. SISTEMAS COM INJEÇÃO. Sua simplicidade de operação e baixo custo operacional e de capital, os recomendam para aços comuns, em grande volume e exigências limitadas de qualidade, podemos citar: 1.1. agitação com gás inerte 1.2. introdução de arame ou fita 1.3. Balas de alumínio 1.4. Injeção de pó 1.5. Escória sintética
- 127. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 127 Fig.5.12 – Esquema do sistema de injeção de gás inerte na panela por tijolo poroso. Fig.5.13 – Esquema de um processo de injeção de finos na panela. 2. SISTEMAS COM TRATAMENTO DO AÇO SOB VÁCUO. 2.1. desgaseificação no jato Para grandes peças forjadas, onde se objetiva a remoção do hidrogênio 2.2. desgaseificação com recirculação Seu custo de capital já é mais elevado. São usados, não para remover o hidrogênio e diminuir as inclusões não metálicas, mas também, na descarbonetação, para produzir aços de bem baixo teor de carbono e para controlar rigidamente a composição e a temperatura de lingotamento. Este processo consiste em se posicionar uma câmara de vácuo sobre a panela de aço, comunicando-se com ela por meio de tubos revestidos de refratários (pernas). Estabelece uma pressão negativa (vácuo) em relação à panela de modo a fazer o metal líquido circular da panela para uma câmara de vácuo, por uma das pernas e retornar ao banho pela outra perna continuamente até máxima desgaseificação.
- 128. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 128 Para que esta circulação ocorra, é necessário injetar em uma das pernas um gás neutro, normalmente argônio, de modo a provocar uma diminuição da densidade do aço em uma das pernas, fazendo com que o aço suba para o interior da câmara. O aço junto com as bolhas de gás chega ao interior da câmara a alta velocidade, se dispersando em pequenas gotículas, liberando assim os gases dissolvidos. O aço desgaseificado retorna para a panela pelo outro tubo. Deste modo, é criada uma diferença de densidade no aço entre as duas pernas, fazendo como que ocorra a circulação do aço. Este processo é denominado de RH. 2.3. refino na panela São mais caros para instalar e operar. Por isso, são usados para o refino de aços de elevada qualidade, com propriedades mecânicas superiores. Em qualquer tipo de tratamento secundário, a distância entre o nível do metal e a borda livre da panela deve ser suficiente para: 1. conter quaisquer respingos causados pelo sopro com oxigênio e a injeção com gás inerte, 2. evitar o extravazamento de metal em agitação, 3. manter o calor confinado à panela, no caso de usar arco voltaico. A construção de uma panela à prova de vácuo exige alguns cuidados: 1. não pode ter furos de ventilação, (usados para a secagem do revestimento da panela normal). 2. As soldas devem ser à prova de vácuo; 3. A flange na borda da panela deve suportar o peso da tampa de vácuo, com todos os seus acessórios; 4. Os tampões porosos e as válvulas de gaveta devem, também, ser instalados à prova de vácuo. A unidade de Refino Secundário de aço na CST, localiza-se entre o Convertedor e o Lingotamento Contínuo, processo este chamado de Metalurgia da Panela, ou seja, tratamento físico e químico do aço na panela. Funciona ainda como um "pulmão" para as unidades de lingotamento, sendo responsável pelo sincronismo entre os convertedores e as máquinas de lingotamento. Existem atualmente na CST, dois equipamentos nesta unidade, que são o IR-UT (Injection Refining-up Temperature) e o RH-KTB (Ruhstall Heraeus -Kawasaki Top Blowing). As principais atividades do IR-UT são: Reaquecimento de corridas através da adição de alumínio (aluminotermia); Ajuste fino de composição química; Homogeneização do aço líquido (composição química e temperatura); Remoção de inclusões não metálicas através do borbulhamento do argônio;
- 129. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 129 Controle da morfologia de inclusões através da injeção de pó Ca-Si; Resfriamento de corridas através de adição de sucata; Dessulfuração do aço para produção de materiais com enxofre muito baixo. As principais atividades do RH-KTB são: Remoção de hidrogênio; Ajuste fino de composição química; Homogeneização do aço líquido { composição química e temperatura); Descarburação (natural ou forçada); Ajuste de temperatura {aquecimento químico ou resfriamento com sucata). O processo RH-KTB, diferencia-se do RH pela adição de uma lança de oxigênio na câmara de vácuo com a finalidade de descarburação máxima e aquecimento do banho pela reação do gás CO com o oxigenio gerando CO2 e liberando grande quantidade de calor. Estes dois equipamentos são de fundamental importância no processo produtivo da CST, atualmente, na medida que permitem a fabricação de aços para aplicações mais nobres e de maior valor agregado {TIN PLATE, API, IF, etc). Fig.5.14 – Esquema do processo de injeção IR-UT utilizado pela CST.
- 130. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 130 Fig.5.15 – Esquema do processo de desgaseificação à vácuo RH.
- 131. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 131 Fig.5.16 – Esquema do processo de desgaseificação à vácuo RH-KTB, utilizado na CST.
- 132. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 132 06 - LINGOTAMENTO CONTÍNUO É bastante antigo o desejo de lingotar diretamente o tarugo destinado à laminação de barras, eliminando-se o pesado e custoso laminador desbastador, bem como aumentar o rendimento total em produtos de aço. Em 1840, G. E. Sellers nos Estados Unidos patenteava um processo de lingotamento contínuo de tubos de chumbo. Em 1843, J. Laing e em 1865, o próprio Sir Henry Bessemer, haviam solicitado patentes para o lingotamento contínuo de ferro maleável, destinado à fabricação de chapas. Em 1886, B. Atha obteve a patente para o lingotamento contínuo de tarugos de aço carbono de 100 x 100 mm. Durante muitos anos, grande número de pesquisadores dedicou-se a desenvolver a técnica de vazamento e, entre 1930 a 1940, Siegfried Jungnhans, na Alemanha, conseguiu lingotar continuamente, de início latão e alumínio, e depois, o próprio aço. O lingotamento contínuo de aço que produz placa de aço diretamente do aço líquido em um único equipamento foi o mais importante avanço tecnológico nos processos metalúrgicos desde os anos sessenta, pois permitiu a substituição do lingotamento convencional feito através de lingoteiras, que é um processo bastante oneroso porque envolve equipamentos adicionais como forno-poço, laminador desbastator, estripadores, manutenção de lingoteiras, transportes internos(pontes rolantes, etc.), para obter a placa de aço. O lingotamento contínuo eliminou os gastos com os equipamentos citados resultando além de redução de tempo e custo em melhoria da qualidade do aço. A importância da solidificação nos processos metalúrgicos do lingotamento contínuo, tais como, estrutura cristalográfica, distribuição de inclusões não metálicas, micro e macro segregações e as propriedades mecânicas, estão intimamente ligadas aos fenômenos de solidificação do aço. Desta forma, a transferência de calor durante a solidificação no processo de lingotamento contínuo influencia fortemente na qualidade do produto e na produtividade do processo, por isto, grande atenção é dedicada a automação deste item. Entretanto, existem outros fatores operacionais que também influenciam na qualidade e produtividade como nível do molde e do distribuidor, velocidade da máquina e são também controlados automaticamente. 06.1 - CARACTERÍSTICAS O lingotamento continuo compreende a seguinte seqüência de operação: a) Fluxo do metal líquido através de um distribuidos para alimentar o molde, b) Formação de uma casca solidificada, no molde em cobre, resfriado a água, c) Extração contínua da peça, d) Remoção de calor do núcleo ainda líquido, por meio de sprays de água de resfriamento, e) Corte no comprimento desejado e remoção das peças
- 133. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 133 Basicamente, uma instalação de Lingotamento Contínuo é constituída de: a) uma calha de distribuição; b) o molde de cobre eletrolítico, resfriado a água, para formação da pele de solidificação inicial; c) a zona de resfriamento secundário, por meio de jatos de água para complementar a solidificação; d) rolos extratores, com velocidade regulável, para movimentação da barra produzida; e) dispositivos para o corte das barras e o transporte das peças cortadas. 06.2 - O PROCESSO DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO Basicamente existem três tipos de máquinas de lingotamento contínuo, que são a máquina vertical, a de dobramento de tarugo e a de molde curvo. A máquina vertical que está mostrada na fig.6.1 foi a primeira que surgiu, mas possuia um inconveniente de estas instalações serem muito altas, em torno de 30 metros. O aço líquido é transferido para uma calha de distribuição(distribuidor) pelo fundo em panelas convencionais. O distribuidor serve para manter um certo volume de aço líquido, de modo a alimentar o molde com uma pressão ferrostática constante e controlar a vazão do aço para o molde. O molde(lingoteira) é fabricado de cobre ou grafite, e tem um movimento oscilatório para reduzir a aderência do aço em suas paredes, além disto, utiliza-se lubrificantes à base de óleo ou grafite. Durante a solidificação do aço no molde, o metal líquido forma um cone bastante alongado devido à fraca condutibilidade térmica do mesmo, como pode ser visto na fig.6.2. O aço sai do molde na forma de barra ou placa e está sólida somente na sua extremidade com cerca de 12 cm de casca solidificada(pele). O núcleo líquido é então solidificado logo abaixo na zona de resfriamento secundário(3 a 12 metros), onde recebe jatos de água (sprays) diretamente contra o veio. Isto tem como finalidade solidificar completamente a peça sem haver tensões ou deformações sucessivas. O molde possui comprimento de 50 a 80 cm, de modo a proporcionar que a pele solidificada tenha resistência própria, para não romper ou inchar em demasia. Após deixar o resfriamento secundário, o resfriamento da peça se faz por irradiação, e finalmente a peça é então cortada geralmente por maçaricos. Com o intuito de se reduzir a altura das instalações, foi desenvolvido um sistema de encurvar o metal no veio depois de a placa estiver toda solidificada. As máquinas mais modernas são as de molde curvo, como visto nas fig.6.4 e 6.5. Nestas máquinas a placa ainda não totalmente solidificada é encurvada na zona de
- 134. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 134 resfriamento secundário, por roletes guia à temperatura de aproximadamente 12000 C. Com isto a altura desta instalação fica um terço da altura da máquina vertical. Deste modo, estas máquinas podem agora serem instaladas no interior das alas de vazamento das aciarias. As máquinas de lingotamento contínuo normalmente possuem mais de um veio de vazamento ao mesmo tempo, para maior produção. Fig.6.1 – Esquema de uma máquina vertical de lingotamento contínuo. Fig.6.2 – Esquema mostrando o cone de solidificação do aço no molde e os sensores para controle de nível. 06.3 - OPERAÇÃO Inicia-se o lingotamento contínuo colocando-se a barra falsa no fundo do molde. A barra falsa deve ter um comprimento de modo que esta possa ser puxada também pelos rolos extratores.
- 135. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 135 Inicia-se o vazamento do aço enchendo o molde até cerca de 100 mm da borda superior. Como o aço se solidifica rapidamente nas paredes do molde, então, logo que o aço atinja a altura normal de lingotamento no molde, começa-se a puxar a barra falsa. Quando a ponta da placa solidificada já estiver em contato com os rolos extratores, pode-se retirar a barra falsa. Fig.6.3 – Esquema mostrando a colocação da barra falsa e início do lingotamento Fig.6.4 – Esquema mostrando uma máquina de molde curvo
- 136. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 136 Fig.6.5 – Esquema mostrando a Máquina de lingotamento contínuo 1 da CST 06.4 - IMPORTÂNCIA DO CONTROLE DO PROCESSO NAS PROPRIEDADES METALÚRGICAS a) CONTROLE DO NÍVEL DO DISTRIBUIDOR E MOLDE As variações de nível e as oscilações do molde favorecem o aparecimento de inclusões de escória e porosidades, também regiões com depressões que são preenchidas com pó lubrificante, causam defeitos superficiais como trincas longitudinais e transversais no produto. b) TAXA DE RESFRIAMENTO DO MOLDE E RESFRIAMENTO SECUNDÁRIO O resfriamento do veio tem a finalidade de acelerar a solidificação do aço, fortalecer a pele solidificada e refrigerar a máquina. A taxa de resfriamento do aço influencia nas propriedades metalúrgicas, pois afeta a distribuição de temperatura interna, uniformidade química e qualidade superficial. Um resfriamento inadequado contribui para a formação de trincas internas. O resfriamento secundário também é influenciado pelo tamanho do produto, velocidade de lingotamento e projeto da máquina. Hoje, o lingotamento contínuo representa mais de 90% da produção japonesa e já passa de 50% da produção brasileira. O desenvolvimento prossegue com o vazamento de placas finas, (entre 10 e 55mm de espessura), ou mesmo de tiras, entre 1 e 10 mm.
- 137. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 137 06.5 – COMPARAÇÃO ENTRE OS RENDIMENTOS NO LINGOTAMENTO CONVENCIONAL E CONTÍNUO. a – Em peso: No lingotamento convencional, de 100 t de metal líquido obtém-se 84 a 86 t de placas, sendo o restante: 2 t de restos de panela e carepa e 14 t de pontas, oxidação e perdas na escarfagem .No lingotamento contínuo, as mesmas 100 t de aço líquido dariam 97 t de placas, sendo as 3 t restantes, perdas de fundo de panela, carepa, pontas e borra de escarfagem. b - Em energia: No lingotamento convencional, 45% da energia do aço líquido é aproveitada, sendo necessário o fornecimento do complemento de 55% pela eletricidade, combustível, oxigênio ou vapor. Dos 100% de energia presentes, apenas 21% ficam na placa ou tarugo, sendo o restante disperso na água de resfriamento, ar ambiente, condução através dos equipamentos, etc. No lingotamento contínuo, 80% da energia necessária é fornecida pelo próprio aço líquido e apenas 20% são supridos externamente, sob a forma de eletricidade, combustível, etc. Dos 100% de energia disponíveis, 46% são utilizados no tarugo ou placa e 54% são levados na água de resfriamento, vapor, etc.
- 138. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 138 07. FORNOS DE REAQUECIMENTO Sua função principal é elevar a temperatura dos produtos semi-acabados, (tarugos ou placas}, até que o material esteja suficientemente plástico para permitir a redução mecânica à secção desejada. Certas condições que afetam a operação e qualidade do produto devem ser atendidas ao aquecer o aço, que são: 1. A temperatura deverá ser suficientemente alta para não obrigar a reduzir a velocidade de produção do laminador, nem submeter os cilindros a pressões excessivas; 2. Não deverá ocorrer superaquecimento, pois a temperatura demasiado elevada irá afetar a secção, as propriedades físicas e a estrutura de grão de produto acabado; 3. O aquecimento deve ser uniforme em toda a secção e em todo o comprimento, para evitar rupturas intemas, ou uma variação, tanto na secção, como na estrutura de grão do produto acabado; 4. Cada peça de aço da mesma ordem de produção deve ser aquecida, em sequência, à aproximadamente a mesma temperatura, para evitar atrasos na laminação devido a ajuste nos cilindros; e, 5. O aquecimento deve permitir o fluxo adequado de calor, sem haver fusão da superfície externa e, também, para evitar trincas e tensões internas, causadas por diferenças muito grandes de temperatura entre o núcleo e a superfície da peça. A importância relativa de cada uma das condições acima, varia com o tipo de aço: nos de baixo carbono, as condições de aquecimento são diferentes das de aços altamente ligados. Alguns princípios básicos devem ser respeitados para o projeto e operação dos fornos de aquecimento, tais como: 1. Capacidade térmica, ou seja, a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do material. 2. Fluxo de calor até a superfície e através da peça. Num forno de reaquecimento o calor é transmitido por radiação e convecção. A radiação do calor da chama depende da diferença de temperatura entre a superfície do aço e a chama, da distância entre elas, da luminosidade e espessura da chama (coeficiente de emissividade). A convecção de calor das paredes do forno para a superfície da peça depende da diferença de temperatura entre os dois corpos e do coeficiente de transferência de calor por convecção. 3. O fluxo de gases no interior do forno influencia na uniformidade de aquecimento das peças.
- 139. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 139 4. Os combustíveis usados nos fornos de reaquecimento podem ser sólidos (carvão pulverizado), líquidos (óleos combustíveis ou alcatrão) ou gasosos (gás natural, gás de alto fomo, gás de coqueria ou a combinação dos dois últimos. 5. Deve haver espaço para a chama e os gases queimados no volume interno do forno, o qual depende do tipo de combustível utilizado e do grau de mistura e da temperatura do ar e do combustível. A chama não pode ser mais comprida que o forno, sob pena da combustão ir completar-se no canal de fumaças e danificar o recuperador. Se, pelo contrário, a chama for muito curta em relação ao tamanho do fomo, os gases queimados esfriam-se ainda no seu interior, resultando condições desfavoráveis para o aquecimento. A combustão superficial da mistura é também importante, pois, influencia na velocidade de combustão. 6. A movimentação dos gases queimados não deve causar turbilhões em retrocesso ou zonas mortas. 07.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS FORNOS DE REAQUECIMENTO Existem fornos descontínuos e contínuos, ou seja: 07.1.1 - FORNOS DESCONTÍNUOS OU INTERMITENTES São aqueles em que o material a ser aquecido é carregado e permanece estacionário sobre a soleira até atingir a temperatura de laminação ou forjamento. Algumas vezes é comum virar-se os blocos ou lingotes a fim de homogeneizar o aquecimento. Normalmente o ar é pré-aquecido por regeneradores e a combustão sofre inversão da chama. Quando são utilizado recuperadores, a direção da chama é a mesma, todo o tempo. O aço a ser aquecido nestes fornos é normalmente carregado e retirado do forno, por meio de máquinas carregadoras. Como vantagens dos fornos descontínuos podemos citar: 1. Permitir o aquecimento de vários tipos de aços ou dimensões diferentes de peças que necessitam um processo de aquecimento específico, o que pode ser melhor executado em lotes separados do que misturados no mesmo forno; 2. Podem operar a temperaturas mais elevadas do que um forno contínuo, podendo-se 'lavar' a superfície do aço, isto é, fundir parcialmente a crosta de óxido para remover defeitos da superfície, sem haver o perigo das peças colarem umas nas outras; 3. Possibilidade de misturar de peças de aços diferentes dentro do forno é menor; 4. Sem despesas adicionais para esvaziar o forno, no fim de um programa de aquecimento.
- 140. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 140 Como desvantagens podemos citar: 1. Elevado investimento por tonelada de produção; 2. Baixa eficiência da soleira (pequena área de utilização ); 3. Maior quantidade de pessoal necessário para operar o forno; 4. O comprimento das peças é limitado (6 m) devido as dificuldades no sistema de manuseio e carregamento. 07.1.2 - FORNOS CONTÍNUOS Estes fornos possuem, em geral, várias zonas de aquecimento em seu interior. O material é carregado em uma extremidade, sendo forçado a caminhar pelo interior do forno pela ação de empurradores ou vigas. O material normalmente é descarregado pela outra extremidade do forno, ou por uma porta lateral, por meios mecânicos. Nos fornos contínuos, tanto a carga como a descarga, se realizam de maneira periódica durante a operação. Como vantagens podemos citar: 1. Elevada produção; 2. Menor quantidade de mão-de-obra por tonelada aquecida; 3. Menores custos de depreciação e manutenção por tonelada aquecida; -grande produção por metro quadrado de área ocupada. 4. No caso de várias zonas, melhor controle do ritmo de aquecimento; Como desvantagens, os fornos contínuos apresentam: 1. Falta de flexibilidade no atendimento de pequenas encomendas ou diversos tipos de aços; 2. Os lados do material devem ser planos para evitar empilhamento de peças na soleira; 3. maior custo para esvaziar o forno na reparação ou no final de programa de produção, exceto no caso de vigas caminhantes; 4. O esvaziamento do forno em caso de acidente é muito trabalhoso, provocando qrandes perdas de tempo. 5. Maior perigo de haver mistura de peças de diferentes aços dentro do forno;
- 141. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 141 6. Maior dificuldade para empurrar diferentes seções dentro do forno ( exceto no caso de vigas caminhantes). Os fornos contínuos podem ser classificados quanto a maneira como as peças são aquecidas e conduzidas no interior do forno em: fornos de empurrar e fornos de vigas caminhantes,. Comparados entre si, os fornos de empurrar e os fornos de vigas caminhantes, apresentam pontos positivos e inconvenientes. Com o sistema de empurrar, teremos um forno sensível do ponto de vista mecânico, uma vez que, habitualmente, peças móveis no interior do forno, devido às altas temperaturas reinantes no interior do mesmo, sempre são críticas. Uma das vantagens dos fornos de vigas caminhantes é a possibilidade de esvaziamento ao final da jornada, visto que os fornos de empurrar não apresentam esta possibilidade, o material permanece inativo dentro do forno a altas temperaturas várias horas. O que se repercute em uma maior oxidação, com uma considerável perda de material e um maior depósito de carepa, sobre a soleira do forno. Uma outra vantagem muito importante é a maior uniformidade de temperatura das peças aquecidas devido ao fato de não haver contato permanente delas com os suportes (strids) para sustentação durante o aquecimento. A manutenção do forno de empurrar é sensivelmente mais cara. Por outro lado, o investimento em sua construção é menor . Os fornos de reaquecimento contínuos possuem três zonas de combustão: 1. Zona de pré-aquecimento Onde o material que entra a temperatura ambiente é aquecido, em contra- corrente, até uma temperatura da ordem de 700o C, pelos gases da combustão procedentes das outras zonas em direção ao recuperador onde aquecerá o ar de combustão. 2. Zona de aquecimento ou intermediária Região de grande fluxo de calor onde o material é aquecido na superfície até uma temperatura de 1250o C, principalmente por radiação do calor das chamas dos queimadores (em torno de 10). 3. Zona de encharque Equipada com queimadores (radiação de calor) onde se consegue que a diferença de temperatura entre o ponto mais frio (núcleo) e o ponto mais aquecido da peça, seja reduzida ao mínimo, não representando um problema para o trem de laminação ou para a qualidade do produto final laminado.
- 142. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 142 Também existem fornos do tipo rotativos empregados no reaquecimento de tarugos ou blocos para a laminação de produtos tubulares ou ainda no aquecimento de materiais para a realização de operações de forjamento. Na atmosfera do forno, como conseqüência da combustão completa ou parcial, podem se encontrar os seguintes gases: dióxido de carbono (C02), monóxido de carbono (CO), anidrido sulfuroso (S02), vapor de água, hidrogênio, nitrogênio, metano, etc. Em altas temperaturas, o dióxido de carbono e o excesso de oxigênio, reagem com o metal aquecido da superfície formando carepa. Esta perda de material por oxidação, sem levar em conta o custo econômico que representa devido a queda de rendimento, pode se constituir em uma causa do não cumprimento das tolerâncias dimensionais previstas para o produto laminado, principalmente em relação ao comprimento dos produtos. Fig.7.1 – Esquema mostrando um forno de reaquecimento de empurrar com três zonas.
- 143. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 143 Fig.7.2 – Esquema mostrando detalhes do mecanismo de vigas caminhantes de modo a permitir o deslocamento de placas sem riscar a superfície das mesmas em um forno de vigas caminhantes. 07.2 - PRODUÇÃO A capacidade de um forno de reaquecimento é afetada pela continuidade de operação. Produções horárias elevadas ou baixo consumo de combustível não podem ser obtidos se o forno é aquecido, utilizado durante curto período e novamente deixado resfriar. Ademais, os refratários serão submetidos à expansão e contração repetidas, o que é nocivo à sua duração. A eficiência térmica é definida como a porcentagem do calor total fornecido ao forno que é usada para elevar a temperatura da carga até à necessária para a laminação (ou forjamento). Nos fornos contínuos equipados com recuperadores e bom isolamento, pode atingir até 40%. A eficiência da combustão pode ser melhorada evitando-se as perdas que ocorrem no forno, dentre as quais se destaca a quantidade de energia contida nos gases da chaminé. Pode-se reduzir esta perda pela instalação de recuperadores, regeneradores ou caldeiras de recuperação. As perdas de irradiação podem ser reduzidas pelo uso de isolantes.
- 144. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 144 08 - LAMINAÇÃO A laminação é um processo de conformação mecânica no qual o material é forçado a passar entre dois cilindros, girando em sentidos opostos, com praticamente a mesma velocidade superficial e separados entre si de uma distância menor que o valor da espessura inicial do material a ser deformado. Os primórdios da laminação são bastante antigos: a mais antiga ilustração de um laminador é uma gravura de Leonardo da Vinci, em torno de 1486, o qual se destinava, provavelmente, à laminação a frio de barras chatas de ouro ou prata para a cunhagem de moedas. Na laminação os produtos semi-acabados são transformados em produtos acabados que devem atender as especificações estabelecidas em termos de propriedades mecânicas, forma, dimensões, dentre outros critérios. A laminação pode ser a quente ou a frio. Pelo fato destas operações com freqüência serem as últimas e podem alterar a microestrutura do aço, elas devem ser projetadas de modo a permitir que a microestrutura desejada. Desta forma, as operações de acabamento envolvem tratamentos térmicos, tais como: esferoidização, normalização, e recozimento, ou tratamentos superficiais, como: galvanização, estanhamento, cementação, usinagem tempera etc. Durante a laminação, raramente passa-se o material somente uma vez entre os cilindros ou rolos de laminação, pois, a redução de área almejada não pode ser conseguida em um só passe. Deste modo, o equipamento de laminação deve ser capaz de submeter o material a uma seqüência de passes. Quando este equipamento consiste em somente um conjunto de cilindros, isto pode ser conseguido de duas formas: ou variando-se a distância entre os cilindros de trabalho, laminadores reguláveis durante a operação, ou mantendo-se esta distância fixa, laminadores fixos durante a operação, e variando-se o diâmetro do cilindro ao longo do seu comprimento, o que equivale a variar a abertura entre os cilindros. Neste último caso, a peça a ser trabalhada deverá ser deslocada ao longo dos cilindros para cada passe sucessivo. Uma outra forma de realizar passes com diferentes reduções, seria a colocação de laminadores em linha, com uma distância pré-determinada entre eles, de modo que trabalhassem o material sucessivamente e em alguns casos simultaneamente.
- 145. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 145 Fig.8.1 – Esquema mostrando um material sendo laminado. Fig.8.2 – Esquema mostrando cilindros com canais de um laminador fixo. Fig.8.3 – Esquema mostrando um trem contínuo de laminação. Ao passar entre os cilindros, a força de atrito entre a peça e os cilindros promove uma deformação plástica, na qual a espessura é diminuída e a largura e o comprimento são aumentados. A laminação é um dos processos de conformação mais utilizados na prática. Tal fato acontece porque este processo apresenta uma alta produtividade e um controle dimensional do produto acabado que pode ser bastante preciso. Na laminação é possível obter-se tanto produtos acabados, como chapas, barras e perfis, como produtos semi-acabados, tais como placas. O processo de laminação pode ser feito a frio ou a quente. Normalmente, a laminação a quente é usada para as operações de desbaste e a laminação a frio, para as operações de acabamento. Geralmente, utiliza-se um ou dois conjuntos de cilindros para a laminação aquente, de modo que o lingote ou o esboço passa várias vezes entre os mesmos cilindros. As últimas etapas da laminação a quente e a maior parte da laminação a frio são efetuadas comumente em múltiplos conjuntos de cilindros denominados trens de laminação. As matérias-primas iniciais para laminação são constituídas geralmente por lingotes fundidos; blocos, tarugos ou placas do lingotamento contínuo ou mais raramente placas eletrodepositadas. Ainda é possível a laminação diretamente do pó, através de um processo especial que combina metalurgia do pó com laminação. Os principais objetivos da laminação são:
- 146. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 146 1. obter um produto final com tamanho e formato especificados, com uma alta taxa de produção e um baixo custo; 2. obter um produto final de boa qualidade, com propriedades mecânicas e condições superficiais adequadas. O número de operações necessárias para atender a estes objetivos do processo de laminação, depende das especificações estipuladas para a forma, as propriedades mecânicas, as condições superficiais (rugosidade, revestimentos, etc.) e em relação a macro e microestrutura do produto laminado. Quanto mais detalhadas forem estas especificações, mais complicado será o procedimento e um maior número de operações será necessário. Para obtenção de produtos laminados as principais etapas são: 1. preparação do material inicial para a laminação; 2. aquecimento do material inicial; 3. laminação a quente; 4. acabamento e/ou tratamento térmico (caso de ser produto final); 5. decapagem; 6. laminação a frio (caso seja necessário); 7. tratamento térmico; 8 acabamento e revestimento. Durante as etapas de laminação, deve-se efetuar um controle de qualidade do produto para se detectar a presença de defeitos, tais como trincas e vazios internos, afim de se evitar que um produto com excesso de defeitos, portanto, rejeitável, continue sendo processado, com desperdício de tempo e energia. Pode-se destacar que as principais variáveis de influência na laminação são: 1.o diâmetro dos rolos ou cilindros laminadores; 2. a resistência à deformação do metal (tensão de escoamento e de ruptura, encruamento durante a deformação, temperatura de trabalho, velocidade de trabalho, etc.); 3. o atrito entre os cilindros e o metal; 4. a presença da tração de avanço ou de retrocesso no produto que esta sendo laminado. 08.1 - DEFINIÇÕES DOS PRODUTOS LAMINADOS: É comum para os produtos siderúrgicos a adoção de uma primeira classificação como aços planos e não-planos. Entende-se por produtos planos aqueles cuja forma da seção transversal é retangular, sendo que a largura do produto e várias vezes maior do que a sua espessura. Produtos não-planos, pelo contrário, tem sua seção transversal diferente da forma retangular (exceção de barras chatas, alguns blocos e tarugos), formas em geral
- 147. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 147 complexas e variadas, embora já se tenha formas consagradas e limitadas. É o caso de perfis tais como H, I, U, trilhos e outros. Os produtos siderúrgicos podem também ser classificados em acabados ou semi- acabados quanto a aplicabilidade direta destes. São denominados semi-acabados, ou intermediários, em virtude de praticamente não existir aplicação direta para os mesmos, salvo para posterior processamento por laminação, extrusão, trefilação, etc. que os transformarão em produtos finais ou seja acabados. 08.1.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS SEMI-ACABADOS Não existe uma clara separação dimensional entre eles, embora a ABNT em sua norma NBR 6215 de 1986 classifique os semi-acabados de conformidade com a área da seção transversal e sua forma, como: 1. bloco: é um produto semi-acabado cuja seção transversal é superior a 22.500 mm2 e com relação entre altura e espessura igualou menor que 2; as arestas são arredondadas, estas medidas se situam entre 150 e 300mm de lado; 2. tarugo ou palanquilha: é um produto semi-acabado cuja seção transversal é menor ou igual a 22.500 mm2 e a relação largura e espessura igualou menor que 2; as arestas são arredondadas as tolerância dimensionais menos restritivas que as de barras, estas medidas se situam entre 50 e 125mm de lado ou diâmetro; 3. placa: é um produto semi-acabado com seção transversal retangular, com espessura maior que 80 mm (100 mm segundo a norma NBR 5903 de 1983 -1987) e relação largura e espessura maior que 4, ou seja, espessura até 230mm e 610 a 1520mm de largura; O comprimento do semi-acabado é função dos produtos finais a serem obtidos a partir dos mesmos, respeitando-se as limitações de equipamento de cada laminação. Nos semi-acabados também se utilizam dos processos usuais de condicionamento, tais como escarfagem e esmerilhamento, visando a eliminação de defeitos superficiais que possam comprometer o produto final. 08.1.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS ACABADOS Quanto aos produtos acabados de laminação (observa-se que podemos ter produtos acabados a partir de semi-acabados por diversos processos de conformação tais como laminação, forjamento, trefilação, extrusão, etc.) a seguinte classificação é feita de acordo com o tipo de produto plano e não-plano. Os produtos acabados planos são obtidos por laminação a quente ou a quente e a frio de placas em cilindros lisos (sem canais) e se subdividem de acordo com as seguintes dimensões:
- 148. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 148 1. bobina: Produto plano laminado com largura mínima de 500 mm enrolado na forma cilíndrica. 1.1. bobina fina a frio: Produto plano laminado com espessura entre 0,38 e 3,0 mm e com largura superior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica e cuja espessura final é obtida por laminação a frio. 1.2. bobina fina a quente: Produto plano larninado com espessura entre 1,20 e 5,0 mm e com largura superior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica e cuja espessura final é obtida por laminação a quente. 1.3. bobina grossa: Produto plano laminado com espessura superior a 5,0 mm e igual ou inferior a 12,7 mm, largura superior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica e cuja espessura final é obtida por laminação a quente. 2. chapa: Produto plano de espessura mínima de 0,38 fim e largura mínima de 500 mm. 2.1. chapa fina: Chapa com espessura entre 0,38 e 5,0 mm e com largura igual ou superior a 500 mm. 2.2. chapa fina a frio: Chapa com espessura entre 0,38 e 3,0 mm e com largura superior a 500 mm, fornecido em forma plana, cuja espessura final é obtida por laminação a frio. 2.3. chapa fina a quente: Chapa com espessura entre 1,20 e 5,0 mm e com largura superior a 500 mm, fornecido em forma plana, cuja espessura final é obtida por laminação a quente. 2.4. chapa grossa: Chapa com espessura superior a 5,0 fim e largura superior a 500mm, fornecido em forma plana, cuja espessura final é obtida por laminação a quente, seja no laminador reversível até no máximo 152 mm ou no laminador contínuo até no máximo 12,70 mm. 3. fita de aço para embalagem: Produto plano laminado com espessura igual ou inferior a 1,27 mm e com largura igualou inferior a 32 mm fornecido na forma de rolo, utilizado como elemento de fixação ou compactação no acondicionamento e/ou embalagem. 4. folha: Produto plano laminado a frio com espessura igual ou inferior a 0,38 mm e com largura mínima de 500 mm fornecido em bobinas ou num comprimento definido. 5. tira: Produto plano relaminado a frio ou produto plano laminado com largura igual ou inferior a 500 mm, fornecido com comprimento definido.
- 149. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 149 5.1. tira cortada: Produto plano laminado com largura igual ou inferior a 500 mm, fornecido com comprimento definido; pode ser obtida de rolos cortados aplainados ou de corte mecânico de chapas finas a frio, chapas finas a quente, chapa grossa ou qualquer produto plano laminado. 5.2. tira relaminada a frio: Produto plano relaminado a frio com espessura igual ou inferior a 8,00 mm e largura igual ou inferior a 500 mm, fornecido com comprimento definido, distinguindo-se da tira cortada por ter tolerância mais estreitas na espessura e largura decorrentes do processo de fabricação. 6. rolo: Produto plano relaminado a frio ou produto plano laminado com largura igual ou inferior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica de tal modo que a largura final do rolo seja igual à largura do produto plano (rolo simples) ou seja superior a largura do produto plano, o qual é obtido em sistema oscilante (rolo zigue-zague). Os produtos acabados laminados não-planos se classificam em barras, fios, tubos, perfis comuns, perfis especiais e os trilhos. Os produtos não planos chamados de fios (fio-máquina) são materiais com seção transversal circular com diâmetro de 5 a 13mm, laminados a quente, fornecidos na forma de bobinas ou não e geralmente são destinados a trefilação. Os tubos com costura são aqueles produzidos por laminação na Mannesmann e outros. 08.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS LAMINADORES Pode ser feita segundo diferentes critérios: 1. Condições de trabalho em: Laminadores a quente e a frio. 2. Função ou programa de produção: Primários e Acabadores; 3. Tipo de produto: de Perfis, de Trilhos, de Arame, etc; 4. Tipo de cadeiras; 5. De acordo com a disposição das diversas cadeiras de laminação: em Linha (trem tipo Belga), em Zigue-zague (cross-country), Contínuo (tandem), etc. 1. CLASSIFICAÇÃO PELAS CONDIÇÕES DE TRABALHO: 1.1. laminação a quente: É aquela que se realiza a temperaturas acima do ponto crítico do aço, ou seja: a cada passe no laminador reduz o tamanho do grão, o qual cresce novamente, assim que a pressão é retirada. O tamanho do grão final é determinado pela temperatura e pela porcentagem de redução do último passe. 1.2. laminação a frio:
- 150. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 150 É aquela que se realiza a temperaturas abaixo do ponto crítico do aço, ou seja: a cada passe no laminador o tamanho do grão se deforma mas não cresce, tornando a superfície do material mais bem acabada e mais resistente. A laminação a frio se desenvolveu devido à necessidades crescente de material com qualidades mecânicas determinadas e às exigências cada vez maiores de uniformidade de bitola. Antes do trabalho a frio, é necessário remover a camada de óxido por meio da decapagem, com o intuito de se obter boa superfície no produto acabado. A laminação a frio tem como conseqüência um aumento da dureza e da resistência à tração, ao mesmo tempo que reduz a dutilidade e o tamanho do grão do aço. A profundidade até onde a estrutura do grão é alterada, depende da seção, tamanho e redução da área. 2. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O SEU PROGRAMA DE PRODUÇÃO: Pode-se classificar os laminadores em laminadores primários ou de semi-produtos e laminadores de produtos acabados. 2.1. Laminadores Primários ou de Semi-Produtos: São aqueles que produzem semi-produtos ou semi-acabados, tais como:blocos, placas, tarugos e platinas, destinados aos trens acabadores. Entre os laminadores primários pode-se distinguir os laminadores desbastadores e os laminadores de tarugos ou platinas. Os laminadores desbastadores, também conhecidos pelo nome de blooming ou slabbing, operam a partir de lingotes. No caso de lingotes grandes, os seus produtos serão os blocos (blooms) ou as placas (slabs). No caso de lingotes pequenos, produzem diretamente tarugos ou platinas. Os laminadores de tarugos ou de platinas operam sempre a partir de blocos ou de placas cortadas longitudinalmente, transformando-os em tarugos ou platinas. 2.2. Laminadores de produtos acabados: São aqueles que transformam semi-produtos (blocos, placas, tarugos e platinas) em produtos acabados, tais como: perfiz, trilhos, tubos, etc. 3. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE PRODUTO: Esta classificação restringe-se aos laminadores de produtos acabados. De acordo com o tipo de produto podemos ter: 3.1. laminadores de perfis pequenos ou comerciais ou ainda perfis leves; 3.2. laminadores de perfis médios; 3.3. laminadores de perfis pesados;
- 151. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 151 3.4. laminadores de fio-máquina; 3.5. laminadores de tubos; 3.6. laminadores de chapas; 3.7. laminadores de tiras; 3.8. laminadores de rodas; 3.9. laminadores de esferas. 4. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE CADEIRAS: O conjunto formado pelos cilindros de laminação, com seus mancais, montantes, suportes, etc. é chamado de cadeira de laminação. Vejamos quais os tipos mais comuns. 4.1. CADEIRA DUO COM RETORNO POR CIMA: Consiste em dois cilindros colocados um sobre o outro. Os cilindros são colocados na horizontal. O sentido de rotação não muda sendo que a peça laminada, ao passar entre dois cilindros, é devolvida para o passe seguinte, passando sobre o cilindro superior. Este tipo de laminador é o mais antigo e mais simples, sendo usado no passado na laminação de chapas e, ainda hoje, nas laminações de tarugos, trens contínuos de perfis pequenos e trens de fio-máquina. 4.2. CADEIRA DUPLO DUO: Consiste em dois duos colocados em planos verticais paralelos e montados numa cadeira de laminação única. Utilizada na laminação de barras de aço especial. Não deve ser confundido com o laminador contínuo formado por cadeiras duo não- reversíveis. 4.3 CADEIRA DUO REVERSÍVEL: É aquela em que o sentido de rotação dos cilindros do laminador é invertido após cada passagem da peça através do laminador. Empregado em laminadores desbastadores para lingotes grandes e trens de perfis. 4.4. CADEIRAS TRIO: Três cilindros são dispostos um sobre o outro na horizontal e a peça é introduzida no laminador passando entre o cilindro superior e o médio. Os cilindros nunca são reversíveis. Inicialmente o material a laminar era manuseado por meio de ganchos ou barras manuais para colocar o material na parte superior, porém, atualmente, utilizam-se mesas elevatórias ou basculantes. Os laminadores ou cadeiras trio são usados em trens desbastadores para lingotes pequenos, trens de perfis (grandes, médios e pequenos), cadeiras acabadoras de trens de fio-máquina abertos. Uma outra variação do laminador trio convencional é o laminador Lauth, utilizado na laminação de chapas, onde o cilindro médio tem cerca de 2/3 do diâmetro dos outros dois cilindros.
- 152. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 152 4.5. CADEIRAS QUÁDRUO: Quando chapas largas são laminadas em trens duo ou trio, os cilindros, que necessariamente tem grande comprimento de mesa, tendem a fletir. Conseqüentemente, as chapas laminadas por este método não apresentam uma espessura uniforme no sentido transversal. Para evitar este defeito, foi criado o laminador quádruo no qual existem quatro cilindros, montados um sobre o outro na horizontal, sendo que os cilindros do meio, chamados cilindros de trabalho, são de menor diâmetro e os cilindros inferior e superior, chamados de cilindros de encosto ou apoio, são de maior diâmetro. Nos laminadores quádruo, as chapas grossas podem ser laminadas com espessura uniforne, porque os cilindros de apoio superior e inferior efetivamente suportam os cilindros de trabalho. São usados em laminadores aquente e a frio de chapas e tiras. Quanto menor for o diâmetro dos cilindros, menor será o atrito entre estes e o metal. Portanto, é necessário uma menor potência. Por outro lado, quando menor for o diâmetro, menor será a rigidez dos cilindros. As tensões originadas pela resistência do metal a deformação conduzem a flexão dos cilindros e por conseguinte conduzem a obtenção de um produto final mais espesso no centro do que nas bordas. Para manter inalterado o perfil dos cilindros, assume grande importância a questão do resfriamento. Mesmo com a utilização de cilindros de encosto, verifica-se ainda uma certa flexão dos cilindros de trabalho a qual é compensada pela coroa dos cilindros. A coroa é obtida usinando-se o cilindro com maior diâmetro no centro do que nas extremidades. Os cilindros de encosto podem não ser retificados com coroa. Quanto menor for o diâmetro dos cilindros de trabalho de um laminador, menor será a espessura que poderá ser obtida. Considerando-se este fenômeno, desenvolveu-se a utilização de laminadores com cilindros de trabalho de pequeno diâmetro para laminação de produtos de pequena espessura. O diâmetro dos cilindros influi também na força de laminação. Isto pode ser comparado com o corte de um determinado material por meio de 2 facas. Quanto mais finas (mais afiadas) forem as facas menor será a força a ser empregada para o corte. Portanto, com cilindros de pequeno diâmetro reduz-se a força de laminação e, como conseqüência, reduz-se também a deformação do laminador . 4.6. CADEIRAS UNIVERSAIS: Constitui uma combinação de cilindros horizontais e verticais, normalmente montados na mesma cadeira de laminação. É o caso dos laminadores desbastadores para placas. Verifica-se que deve ser observado um certo distanciamento entre o par de cilindros verticais e o par de cilindros horizontais. Os quatro cilindros, geralmente, possuem acionamento independente, mas sincronizado. Outra modalidade do laminador universal, é o construído com cilindros verticais não acionados, colocados entre os extremos dos cilindros horizontais e no mesmo plano
- 153. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 153 vertical. A sua função é apenas garantir a uniformidade da seção do perfilado. É o caso do laminador Grey, para a produção de perfilados pesados tais como duplo T. 4.7. CADEIRAS COM CILINDROS AGRUPADOS Se a deflexão dos cilindros for muito grande, as altas tensões produzidas podem causar efeitos de fadiga e conduzir os cilindros a ruptura. Para aproveitar a vantagem da necessidade de menor potência com cilindros de pequeno diâmetro, foi projetado o laminador quádruo e a idéia foi estendida para a utilização de uma maior quantidade de cilindros, obtendo-se os denominados laminadores agrupados, podendo-se destacar o laminador Sendzimir. Este laminador é muito caro, sendo utilizado para a laminação a frio e de acabamento para produtos para os quais se requer tolerâncias dimensionais mais estreitas. Um tipo de laminador não convencional, o laminador Sendzmir planetário utilizado) para o trabalho a quente, ganha cada vez mais popularidade na produção de tiras de aço de alta resistência e de aços-liga, inclusive de aço inoxidável. Este equipamento, através de pequenos cilindros giratórios, produz substancial redução de seção da tira e oferece a vantagem de produzir uma superfície com bom acabamento. Os rolos alimentadores aplicam uma pequena redução de espessura e empurram a placa contra o laminador planetário onde a maior parte da redução de espessura é realizada. Os cilindros de trabalho são posicionadas numa gaiola porta-cilindros (mancal de rolamento) que gira sobre o cilindro de encosto. Fig.8.4 – Esquema de cadeiras duo com retorno por cima (I) e duplo duo (II). Fig.8.5 – Esquema de cadeiras duo reversível e trio.
- 154. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 154 Fig.8.6 – Cadeiras quádruo à esquerda e universal à direita. Fig.8.7 – Laminador universal tipo Grey. Fig.8.8 – Laminadores com múltiplos cilindros, à esquerda com seis cilindros e a direita o laminador planetário.
- 155. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 155 05. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A DISPOSIÇÃO DAS DIVERSAS CADEIRAS DE LAMINAÇÃO: A classificação dos laminadores de conformidade com a disposição das cadeiras, é também usada nos meios técnicos. Assim, temos o trem em linha, consistindo de várias cadeiras Trio ou Duo, dotadas de um acionamento único. A ponta da peça laminada, ao sair de um passe, é “virada", entrando no passe seguinte, no mesmo lado do laminador de onde saiu. Este processo de mudar a direção da peça é repetido de ambos os lados do laminador, tornando possível laminar- se em várias cadeiras ao mesmo tempo. Assim, consegue-se evitar a queda da temperatura ao laminar peças compridas em seções de pequeno diâmetro, que resultaria se tivéssemos que fazer o material passar completamente por um passe antes de começar o passe seguinte. Evidentemente, para se ter a flexibilidade necessária para o "dobramento", a barra laminada deve ser de seção relativamente pequena. O laminador de vários grupamentos de cadeiras, com um trem preparador e um ou mais trens acabadores, representa uma solução lógica para a realização dos passes iniciais com velocidade mais baixa e seções maiores, e dos passes acabadores com menores reduções e velocidades mais elevadas, para compensar a redução de seção e obter melhor superfície. Desta forma, podemos classifica-los em: 5.1. TRENS CONTÍNUOS Consiste de uma série de cadeira Duo, com cilindros girando no mesmo sentido, colocados no mesmo eixo de laminação e com pequeno afastamento entre as cadeiras. O material é trabalhado ao mesmo tempo entre vários pares de cilindros, cuja velocidade periférica aumenta proporcionalmente, para compensar a redução de seção. É o tipo de instalação destinada a grandes produções e programas de laminação relativarnente pouco variados. 5.2. TREM CROSS-COUNTRY: Assim chamado pela disposição escalonada das cadeiras do laminador. A peça, ao ser laminada, faz um trajeto de zigue-zague. Este tipo de laminador tem grande flexibilidade de programa de laminação, com uma produção horária, relativamente alta. 5.3. LAMINADOORES DE TUBOS: São de muitos tipos diferentes: em alguns, a seção inicial é uma barra chata ou chapa de aço que é aquecida à temperatura de caldeamento; em outros ela é trabalhada a frio. Os tubos soldados por caldeamento de tôpo (butt-welded) são produzidos repuxando- se uma peça do material através de um sino ou fieira. Os tubos com costura são formados a partir de chapas aquecidas, e a costura obtida pela pressão mecânica.
- 156. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 156 Os tubos sem costura são produzidos a partir de tarugos aquecidos e perfurados, de tarugos inteiriços, ou ainda, a partir de roletes aquecidos (slugs). O processo de produzir tubos a partir de roletes (slugs) é chamado de estampagem, pois uma seção circular é aquecida e prensada através de uma série de matrizes, até se chegar à forma ou tamanho desejados. 08.3 - ÓRGÃOS MECÂNICOS DE UM LAMINADOR Um laminador consiste essencialmente, de duas gaiolas para suportar os cilindros, de dois ou mais cilindros e os meios para o seu acionamento e para controlar a abertura entre os cilindros de trabalho. Além disso, deve-se considerar as várias instalações de transporte das peças a laminar, os meios de lubrificar o equipamento e os de remover a camada de óxido. 1. GAIOLA: A gaiola do laminador é, em geral, uma peça de aço fundido, cujas dimensões são determinadas com um coeficiente de segurança bastante grande, como pode ser visto na fig.8.9. As duas gaiolas são ligadas entre si na parte superior por um cabeçote fundido ou, perto da base e do topo, por meio de tirantes forjados. No caso de laminadores de precisão, a deformação das cadeiras resultante das pressões de laminação, deve ser a menor possível, para que o material não ultrapasse as tolerâncias exigidas. Para reduzir a um mínimo o alongamento das gaiolas, uma das soluções é construí-Ias com grandes seções, de modo que a solicitação específica (pressão por cm2 ) seja a menor possível, ou então, empregam-se as gaiolas protendidas. As principais vantagens das gaiolas protendidas são: 1. a altura total da cadeira é menor e, portanto, a dilatação (que é proporcional ao comprimento tracionado) é menor; 2. a pressão que atua sobre todos os elementos da cadeira durante a marcha em vazio (sem estar laminando o material) reduz a folga entre eles, melhorando, portanto, a precisão de laminação. A protensão de uma gaiola é obtida do seguinte modo: Tomando-se como referencia a fig.8.10 a pressão hidráulica é exercida sobre os pistões dos cilindros hidráulicos (15) que sob o efeito dos tirantes (3) se alongam; por intermédio do sistema de regulagem, os mancais do cilindro superior (2) são ajustados na distância desejada em relação ao cilindro inferior; sendo retirada a pressão hidráulica, os tirantes se encurtam e todos os elementos colocados entre as extremidades dos tirantes ficam sujeitos a uma forte pressão; a medida que os cilindros de trabalho se desgastarem e for necessário reajustar a distância entre os cilindros, é novamente exercida pressão hidráulica sobre os cilindros (15), os eixos (3) são forçados a se alongarem e o sistema de regulagem
- 157. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 157 pode assim ser movimentado. Depois retira-se a pressão hidráulica e a gaiola continua trabalhando com a mesma protensão. A gaiola protendida tem a vantagem adicional de manipulação mais fácil, pelo fato de seu peso e dimensões serem menores, nos casos onde é necessário trocar rapidamente uma cadeira completa, como por exemplo, na mudança de um programa de laminação para o outro. Para assegurar a horizontalidade dos cilindros, as bases das gaiolas são apoiadas sobre uma placa usinada de ferro fundido ou de aço e fixados por parafusos. A abertura na gaiola através à qual passa o pescoço do cilindro é a "janela", normalmente revestida de placas de desgaste, que se pode trocar depois de certo tempo de uso, quando ficarem amolgadas ou danificadas. A parte inferior da janela serve de apoio para o mancal do cilindro inferior que, em grandes laminadores, geralmente é estacionário e nos pequenos laminadores é ajustável por meio de parafusos verticais ou de cunhas horizontais. Através o tôpo da gaiola, passam os parafusos para controlar a elevação do cilindro superior. Em pequenos laminadores, estes cilindros são ajustados manualmente; no. grandes, por meio de mecanismo de ajustagem motorizado. 2. PLACAS DE APOIO: Para assegurar a horizontalidade dos cilindros, os pés da gaiola são apoiados sobre uma placa usinada de ferro fundido ou de aço e fixados por parafusos de cabeça quadrada. Fig.8.9 – Seção de um laminador desbastador, acionado por um único motor. Observe- se a caixa de pinhões e as arvores de transmissão, dotadas de juntas universais, que transmitem esforços de rotação aos cilindros.
- 158. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 158 Fig.8.10 – Corte lateral de uma cadeira duo protendida: 1- lateral, 2- mancal do cilindro superior, 3- eixos de protensão, 15- cilindros hidráulicos, 17 2 25- porcas, e 21- parafusos de segurança. 3. CILINDROS DE LAMINAÇÃO: Os cilindros de laminação são em geral, peças inteiriças, fundidas ou forjadas. A parte central do cilindro, o "corpo" ou a "face" deste, é que entra em contato com o aço durante a "operação de laminar”. Pode ser lisa ou, então, dotada de canais; em alguns casos pode ser entalhada para facilitar a mordida na laminação a quente, ou jateada por granalha metálica, para propiciar um acabamento fosco no produto final. Em cada extremidade, estão os "pescoços" que se apóiam nos mancais. Os pescoços podem ser cilíndricos ou cônicos. Além do pescoço fica o "trêvo", que recebe o acoplamento para rotação. Pode ser acoplado à caixa de pinhões ou a um outro cilindro da cadeira ao lado e podem ser de 4 ou. 5 abas. Os laminadores modernos utilizam juntas universais; para estas, o "trêvo" é substituido por uma seção adequada ao desenho do acoplamento.
- 159. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 159 Fig.8.11 – Esquema mostrando partes de um cilindro de laminação. Fig.8.12 – Esquema mostrando partes de um cilindro de laminação com pescoço cilíndrico e garfo de acloplamento (acima), e pescoço cônico com munhão de aclopamento. As principais características que definem a qualidade de um cilindro de laminação são as seguintes: 1. dureza; 2. resistência ao desgaste da mesa; 3. resistência à ruptura por ocasião de uma eventual sobrecarga; 4. baixa sensibilidade à formação de trincas térmicas; 5. boa superfície. 3.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS CILINDROS: São produzidos em uma enorme variedade de materiais, desde o aço simples com 0,50% de carbono, passando pelos ferros fundidos especiais e nodulares, até os carbo netos de tungstênio. Os cilindros podem ser fundidos com a mesa lisa ou com a mesa já esboçada para facilitar a usinagem dos canais. Os cilindros em aço, que podem ser ou fundidos ou forjados, são mais indicados onde aplicam-se fortes reduções, com canais fundamente entalhados nos cilindros.
- 160. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 160 Mediante o emprego de elementos de liga e de tratamentos térmicos adequados pode- se conseguir altas durezas e resistências adequadas com cilindros de aço. O teor de carbono varia de 0,35 a 1%. Os principais elementos de liga são o cromo, o níquel e o molibdênio. Os cilindros de ferro fundido são de: ferro fundido cinzento moldado em areia; ferro fundido cinzento moldado em coquilha; ferro fundido tratado termicamente; ferro fundido de dupla fusão; ferro fundido nodular. O teor de carbono varia de 2,5 a 3%. Em alguns tipos são utilizados elementos de liga tais como níquel cromo e molibdênio. Apresentam melhor resistência ao desgaste do que os de aço. No entanto, sua resistência à ruptura é menor, não suportando grandes reduções por passe. São usados como cilindros preparadores ou acabadores em diversos tipos de trens de laminação, como mostraremos a seguir. Podemos classificar os cilindros como: 1. CILINDROS DE AÇO FUNDIDO: Apresentam resistência ao desgaste relativamente pequena mas, devido à sua alta resistência à flexão, permitem grandes reduções em cada passagem. São usados; principalmente, nos laminadores desbastadores, nas primeiras cadeiras de laminadores de tiras a quente e como cilindros de encosto nos laminadores planos aquente e a frio. Podem também ser empregados como cilindros preparadores. 2. CILINDROS DE AÇO FORJADO: Apresentam melhor resistência ao desgaste. São usados principalmente como cilindros de trabalho de laminadores a frio. 3. CILINDROS DE FERRO FUNDIDO EM MOLDES DE AREIA: São empregados como cilindros acabadores de trens de grandes perfis e trens comerciais, bem como cilindros preparadores de trens de perfis médios. 4. CILINDROS DE FERRO FUNDIDO COQUILHADO: Possuem uma camada exterior dura, com grande resistência ao desgaste podendo gerar produtos com bom acabamento superficial. O núcleo, no entanto, é mais tenaz e possui boa resistência à ruptura. Podem ser usados em cadeiras acabadoras de trens de fio-máquina, de trens de pequenos perfis, e em laminadores desbastadores. 5. CILINDROS DE FERRO FUNDIDO NODULAR: Além de terem boa resistência ao desgaste, apresentam resistência à ruptura maior que os outros cilindros de ferro fundido cinzento. Podem ser usados em cilindros de laminadores de tarugos e cilindros intermediários de trens de fio-máquina. Quando um esboço aquecido é laminado, uma parte de seu calor é transmitida aos cilindros, provocando o aquecimento destes. Como este aquecimento não é regular ao longo da mesa, formam-se as 'trincas térmicas' que marcam (danificam) os cilindros
- 161. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 161 podendo, inclusive, provocar sua ruptura. Estas trincas podem, no entanto, ser evitadas ou atenuadas mediante um resfriamento adequado dos cilindros. Realiza-se o resfriamento lançando água sobre a mesa dos cilindros. A quantidade de água a ser utilizada depende de vários fatores como: a - comprimento do esboço a ser laminado: quanto mais comprido for o esboço mais intenso deverá ser o resfriamento; b - velocidade de laminação: quanto maior a velocidade, maior deverá ser a quantidade de água a ser utilizado no resfriamento; c - forma do canal: canais profundos exigem um melhor resfriamento; d - material de construção dos cilindros: quanto mais duros forem os cilindros, mais eficiente deverá ser o resfriamento. Na operação de um laminador, deve-se procurar evitar um aquecimento ou resfriamento brusco dos cilindros. Estas mudanças rápidas de temperatura produzem 'choques térmicos' que podem provocar trincas ou mesmo a ruptura do cilindro. Quando a operação do laminador for interrompida deve-se cortar a água de resfriamento, caso contrário ocorrerá um choque térmico no reinício da operação. Apesar de ser fundamental em todos os tipos de laminadores, é na laminação de chapas (principalmente nos cilindros acabadores) que o resfriamento assume importância ainda maior, pois, pode influir na uniformidade da espessura da chapa. Este aspecto será abordado por ocasião do estudo dos laminadores de produtos planos. 08.4 – LAMINAÇÃO A QUENTE. A maioria dos produtos laminada de aço é fabricado por um dos dois caminhos descritos a seguir, ou seja, produção de perfis, tarugos e barras (produtos não-planos ou produtos longos) ou produção de chapas, tiras e folhas (produtos planos). A fig.8.13, mostra uma representação esquemática do processamento de diversos produtos laminados, e a fig.8.14 mostra aplicações típicas deste produtos.
- 162. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 162 Fig.8.13 – Representação do processamento de diversos produtos laminados. Como pode ser observado, existem dois pontos iniciais distintos na laminação: ou parte-se do lingote obtido por lingotamento convencional na aciaria, ou parte-se das placas ou blocos do lingotamento contínuo também na aciaria. Quando o produto inicial é um lingote, existe a necessidade de um laminador primário, também conhecido pelo nome de laminador desbastador, onde os lingotes são transformados em blocos ou placas para subseqüente acabamento em barras, perfis, chapas. tiras e folhas. Depois da obtenção das placas ou dos blocos no laminador primário, estes dois semi- acabados serão acabados de maneiras diferentes. As placas serão reaquecidas nos fornos de reaquecimento e poderão seguir por dois caminhos distintos: ou são encaminhadas a um laminador de chapas grossas onde a espessura da placa será reduzida, ou são encaminhadas para o laminador de tiras a quente onde serão obtidas as bobinas de tiras laminadas a quente. As bobinas de tiras laminadas a quente podem por sua vez, seguir vários caminhos distintos: podem ser utilizadas na fabricação de tubos sem costura, por diversos processos; podem servir de matéria-prima para o laminador de tiras a frio obtendo-se assim chapas e tiras laminadas a frio com ou sem revestimentos superficiais; podem servir de matéria-prima para os laminadores a frio tipo Sendzmir para o caso de aços especiais (inoxidáveis, ao silício, etc.) onde obteríamos as folhas ou fitas laminadas. As tiras ou chapas oriundas do laminador de tiras a quente podem também ser utilizadas para a fabricação de peças dobradas, rodas, vigas, vasos de pressão, etc.
- 163. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 163 Para o caso dos tarugos, estes podem seguir três caminhos distintos: para os laminadores de perfis (leves, médios ou pesados) onde obteríamos os perfis estruturais e os trilhos; para os laminadores de barras ou de fios, onde se chegaria aos diversos tipos de barras e aos fios- máquina; para os laminadores de tubos sem costura. Normalmente, todas as etapas de laminação de tarugos até o produto final é feita aquente. Fig.8.14 – Esquema mostrando aplicações típicas deste produtos. A fig.8.15 mostra na forma de um gráfico as diferentes terminologias dos produtos planos de aço laminado dada pela ABNT. 08.4.1 – LAMINAÇÃO DE TIRAS A QUENTE. Os laminadores de tiras a quente são aqueles destinados a produção de chapas finas tiras até espessuras acima de 1,0 mm. Uma boa parte dos produtos dos laminadores de tiras a quente é utilizada na espessura com que sai do laminador, são as chapas finas e tiras a quente. Entretanto, outra grande parte é destinada a laminação a frio, para a produção de chapas finas a frio e das folhas. Assim como as chapas grossas, as chapas finas e tiras laminadas aquente podem ser classificadas de diversas maneiras segundo os requisitos de qualidade, ou seja: 1 - qualidade comum; 2 - qualidade estampagem; 3 - qualidade baixo teor de metalóides; 4 - qualidade requisitos de propriedades mecânicas.
- 164. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 164 Fig.8.15 – Terminologia dos produtos planos de aço laminado dada pela ABNT. A seqüência de operações nos trens de tiras aquente é, em linhas gerais, a seguinte: 1- preparação das placas; 2- reaquecimento das placas; 3- descarepação; 4- laminação a quente; 5- bobinamento ou corte; 6- decapagem e oleamento (opcional); 7- acabamento. 1 – Preparação. A preparação ou condicionamento das placas consiste na eliminação de seus defeitos, a fim de se evitar que os mesmos apareçam no produto acabado. As placas provenientes do desbastador são resfriadas e inspecionadas nas duas faces e, se necessário, é realizada a remoção dos defeitos (geralmente gotas frias, trincas, dobras, superfície queimada, superfície esponjosa, bolsas, etc.) através da escarfagem manual com maçarico ou com a utilização de esmeril. Em usinas siderúrgicas de elevado padrão de qualidade, o resfriamento e inspeção é feito por amostragem. A maior parte das placas, provenientes de desbastadores ou do lingotamento contínuo, é enfornada a quente, sem inspeção visual, com sensível economia de combustível. 2 – Reaquecimento de placas. Completado o exame e o condicionamento, as placas são transportadas para a área dos fornos de reaquecimento onde sua temperatura será elevada até o ponto que o trabalho de deformação plástica seja facilitado. Os fomos são do tipo contínuo dotados de um sistema de carregamento, podendo ser de empurrar ou de vigas caminhantes. 3 - Descarepação. A descarepação, ou seja, a eliminação da camada superficial de óxido, merece atenção especial, pois, a qualidade de superfície da chapa acabada depende em grande parte,
- 165. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 165 do cuidado com que ela (a camada de óxido) for removida. Para isto existem três métodos: a) emprego de uma cadeira duo horizontal, que pode igualmente efetuar uma redução de espessura; b) utilização de uma cadeira duo vertical, bastante útil no caso de placas de largura menor , pois, além de controlar as bordas da chapa, ajuda a evitar o seu fendilhamento; c) emprego de jatos d' água sob alta pressão, normalmente entre o laminador vertical e o laminador quádruo de chapas grossas, ou antes e depois do quebrador de carepas e do laminador quádruo reversível. Os cilindros horizontais podem apresentar uma superfície entalhada (usinada), para facilitar o agarramento e arrastamento da carepa primária pelos cilindros ásperos. A ação dos cilindros verticais provoca o trincamento da carepa na direção transversal do esboço, facilitando a sua remoção sem o perigo de incrustá-la, o que pode acontecer com cilindros horizontais. Os jatos de água, além da ação mecânica (impacto) propriamente dita, também provocam o resfriamento rápido da camada de carepa acarretando o seu fendilhamento (a carepa trinca porque é friável) e diminuindo a adesão da mesma à superfície do metal base. Observa-se que a água que penetra nas trincas provoca um aumento de volume ao se transformar em vapor induzindo o remoção da camada de carepa. A laminação, pode ser realizada em 4 tipos de laminadores: 1 - laminador contínuo; 2 - laminador semi-contínuo; 3 - laminador reversível Steckel -laminador planetário. 4 – Laminação a quente. A laminação a quente, pode ser feita em laminador contínuo, semicontínuo e laminador steckel. 4.1 - Laminador Contínuo No arranjo dos trens contínuos de tiras aquente, o mesmo é dividido em 2 partes: trem preparador e trem acabador. O número e o tipo de cadeiras utilizadas em cada trem variam em função do grau avanço tecnológico da empresa projetista/construtora do equipamento, do tipo de aço a ser laminado, da capacidade de produção almejada, etc. 1. Trem preparador: O trem preparador pode ser composto por até de 4 cadeiras quádruo, não reversíveis, distanciadas entre si de tal modo que a placa quase nunca é laminada em duas cadeiras simultaneamente. Outra opção é a utilização de uma cadeira quádruo reversível. A primeira cadeira, que é precedida por um quebrador de carepa pode ser utilizada como alargadora de placas no caso de laminação cruzada. Para a operação de alargamento, torna-se necessário uma mesa viradora e uma prensa endireitadora de bordas. As três cadeiras seguintes são, geralmente, dotadas de cilindros verticais para laminar as bordas da chapa.
- 166. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 166 Entre o trem preparador e o acabador tem-se uma mesa de rolos de grande comprimento, cuja finalidade principal é permitir o controle da temperatura da chapa antes de sua entrada no trem acabador. Nos modernos trens de chapas finas aquente, utilizam-se fornos conhecidos como coil box depois do trem de desbaste. A finalidade deste equipamento é evitar o resfriamento do esboço que está sendo laminado devido ao aumento da superfície de contato esboço/ambiente. O princípio de funcionamento baseia-se no bobinamento do esboço no momento que a espessura atinge a faixa de 20 a 40 mm. A utilização do coil box permite a construção de unidade mais compactas de laminação de chapas finas aquente. Fig.8.16 – Representação esquemática do coil box posicionado depois do trem de desbaste; 1- rolos do berço; 2- rolo de desempenamento inferior; 3- rolo de formação da bobina; 4- rolos defletores; 5- braço oscilante com unidade ajustável; 6- rolos de desempenamento superiores; 7- pistão hidrálico de ajuste; 8- engrenagem (fuso) de elevação para ajustar o gap de desempenamento; 9- capa da forno; 10- mecanismo de transferência de bobina; 11- unidade de desbobinamento. Fig.8.17 – Representação esquemática da seqüência de bobinamento e desbobinamento do coil box.
- 167. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 167
- 168. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 168 2. Trem acabador: O trem acabador é constituído de 4 a 7 cadeiras quádruo não reversíveis, colocadas muito próximas umas das outras de modo que a chapa é laminada simultaneamente, em todas as cadeiras. Antes do trem acabador, tem-se uma tesoura de pontas e um quebrador de carepas. Entre a última cadeira do acabador e as bobinadeiras, tem-se as mesas de resfriamento. Trata-se de uma linha de rolos de grande comprimento onde se lança água sobre a tira a fim de resfria-la até uma temperatura conveniente para o bobinamento. Alguns trens contínuos de tiras a quente, produzem também chapas grossas, as quais no entanto, geralmente, só são laminadas no trem preparador. Um transferidor situado antes do trem acabador conduz as chapas grossas para as desempenadeiras e dai, para o setor de acabamento. 4.2 - Laminador Semicontínuo O laminador semicontínuo é muito semelhante ao laminador contínuo. A diferença principal reside no fato de que ao invés de várias cadeiras preparadoras, todas girando na mesma direção, empregam-se para o mesmo trabalho, uma ou duas cadeiras reversíveis. A capacidade de produção destes trens é inferior a dos trens contínuos. 4.3 - Laminador Steckel Como o custo inicial do laminador contínuo ou semicontínuo é um investimento muito alto, sua aquisição só se torna econômica para grandes produções. Por isto, foi desenvolvido um laminador para produções menores chamado de laminador Steckel, o qual consiste de: um laminador duo ou de um laminador de bordas com cilindros verticais para quebrar a carepa; uma cadeira quádruo reversível única, de dois fornos com bobinadeiras (uma câmara revestida internamente de refratário, aquecida a gás ou a óleo, dentro da qual tem-se um mandril enrolador); cilindros impulsionadores ou arrastadores; mesas de aproximação e de saída. Nos primeiros passes a laminação é realizada de maneira convencional e os fornos não são utilizados. Quando se atinge uma determinada espessura, passa-se a enrolar a tira alternadamente em um dos fomos. Os fornos estão muito próximos da cadeira de modo que ao mesmo tempo em que a chapa é laminada, ela está sendo enrolada num forno e desenrolada no outro. Quando completa-se o passe, inverte-se o sentido de laminação e a tira é introduzida no mandril do forno onde vai ser enrolada. Deve ser observado que a finalidade dos fornos não é a de aquecer a tira e sim atenuar o resfriamento. Mesmo assim, as extremidades se resfriam muito e podem apresentar espessura irregular.
- 169. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 169 Fig.8.19 – Representação esquemática de um laminador Steckel para produção de chapas finas a quente. Fig.8.20 – Representação esquemática de alguns componentes do laminador Steckel. 08.4.2 - ASPÉCTOS METALÚRGICOS NA LAMINAÇÃO DA LAMINAÇÃO A QUENTE Inicialmente, as operações de laminação tinham como único objetivo atender as dimensões desejadas do laminado. Entretanto, desde os anos 50, tem-se percebido que tanto a temperatura final do laminado após o último passe, quanto e o grau de redução aplicado no mesmo afetam significativamente as propriedades físicas do produto. Desta forma, em muitos processos de laminação a quente, muitas operações são realizadas de modo a alcançar uma temperatura final que leva as propriedades físicas desejadas no produto. Estas operações são chamadas de laminação controlada e mais recentemente de tratamentos termo mecânicos. No processo de laminação a quente o material é aquecido até uma temperatura de encharque, realizando a sua austenitização, a seguir deformações programadas são impostas nas etapas de desbaste e acabamento e, finalmente, um resfriamento controlado deste. Como já é sabido, o aço na forma de austenita possui estrutura CFC, e 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.
- 170. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 170 Com isto, 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. Uma das conseqüências do processo de reaquecimento do aço é o crescimento de grão. O controle deste crescimento é uma etapa importante no processo de laminação controlada onde se desenvolvem grandes esforços para alcançar produtos com estruturas de granulação fina. Para aços microligados, a temperatura de reaquecimento deve ser alta o bastante para solubilizar as partículas estáveis que se formaram com as ligas. A temperatura de reaquecimento também afeta a formação da chamada bandas de deformação, a qual desenvolve um importante papel durante o processo subseqüente de restauração do grão. Para que o tamanho de grão final da austenita seja fortemente dependente do reaquecimento do grão, é necessário a temperatura de reaquecimento seja mantida acima da temperatura de crescimento do grão. Parâmetros de operação industrial, tais como: deformação, taxa de deformação e temperatura podem ser correlacionados com os fenômenos metalúrgicos envolvidos no processo e tratados por equações empíricas conhecidas na literatura. A forma de restauração do material pode ser descrita através de curvas de tensão-deformação equivalentes obtidas por ensaios de laboratório. A análise e interpretação destes gráficos, em conjunto com os dados operacionais, podem caracterizar o comportamento mecânico a quente destes aços e, assim, diminuir os custos de processamento. 1- Objetivos gerais da laminação controlada dos aços. A laminação controlada ou tratamentos termomecânicos são uma série de tratamentos térmicos e de deformações plásticas de modo a se alcançar as melhores propriedades mecânicas dos aços tais como: a - Maior resistência ao escoamento; b - Melhor tenacidade; c - Melhor soldabilidade; d - Maior resistência à fratura frágil; e - Maior resistência à fratura dútil de baixo nível de energia; f - Menor impacto nas temperaturas de transição; g - Boa conformação a frio, particularmente no dobramento; h - Redução de custo a qual é possível utilizando a laminação à quente ao invés de seção de tratamentos térmico posterior. Um fator adicional à redução de custo é o fato do processo de laminação controlada permitir que se alcance as propriedades desejadas com menos quantidades de elementos de liga no aço do que as necessárias no processo de laminação à quente convencional.
- 171. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 171 2 – Fenômenos Metalúrgicos Durante A Laminação. Na laminação a quente de aços estão presentes os processos amaciamento da austenita simultaneamente aos processos de endurecimento (encruamento). A restauração dos grãos é um mecanismo de amaciamento do material, onde a energia de deformação elimina as discordâncias e outros defeitos cristalinos, tais como, vazios e elementos intersticiais, permitindo o rearranjamento da estrutura cristalina. Alguns autores estabelecem os seguintes mecanismos de restauração ou amaciamento: a - Processos de restauração dinâmicos: Iniciam e são completados durante a deformação; incluem os processo de recuperação dinâmica e recristalização dinâmica; b - Processos de restauração metadinâmicos: Iniciam durante a deformação e são completados após o termino desta; incluem os processo de recuperação estática e recristalização estática; c - Processos de restauração estáticos: Iniciam e são completados após a deformação. Inicialmente na laminação à quente, a microestrutura do aço consiste de grãos equiaxiais grosseiros de austenita, como pode ser visto na fig.8.21. Durante o passe no laminador, os grãos de austenita são deformados e alongados. As bandas de deformação podem aparecer dentro dos grãos de austenita, como mostrado na mesma figura. Fig.8.21 - Ilustração esquemática da recristalização estática. a - Processo de restauração Dinâmico e Metadinâmico Quando o aço é deformado no estado de austenita a altas temperaturas, a tensão de escoamento aumenta para um máximo e em seguida cai para um valor constante, como mostrado na fig.8.22. Isto é devido ao fato de que após um certo tempo de deformação, a geração de discordâncias e sua posterior eliminação alcançam um certo equilíbrio de modo que o material pode continuar a ser deformado sem que ocorra qualquer aumento ou diminuição na tensão de escoamento. Esta tensão é denominada de tensão de escoamento no regime estacionário. Esta queda na tensão de escoamento, mostra a ocorrência da recristalização dinâmica.
- 172. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 172 Desta forma, nos processos de restauração dinâmicos deve-se atingir um grau de deformação crítico (mínimo) a partir do qual estes processos sejam estáveis, o que em geral não acontece. As microestruturas obtidas por processo de restauração dinâmicos não são estáveis e em altas temperaturas são modificadas por processos de restauração metadinâmicos e estáticos. Na recristalização dinâmica, os ciclos de endurecimento e amaciamento seguem um ao outro alternadamente. Como um exemplo, tem-se na fig.8.22, onde as curvas tensão- deformação de um aço com 0,25%C é deformado na fase austenítica (1102°C) sob diversas velocidades de deformação. Como pode ser visto, a periodicidade depende acentuadamente da velocidades de deformação, aparecendo apenas um pico a altas velocidade de deformação e aumentando o número de picos a medida que a velocidade é reduzida. Fig.8.22 - Curvas tensão-deformação de um aço com 0,25%C mostrando a influência da velocidade de deformação na peridodicidade de picos de tensão; este comportamento está relacionado com o fenômeno de recristalização dinâmica. c - Processo de restauração Estático. As microestruturas desenvolvidas pelo processo de restauração dinâmico não são estáveis e a elevadas temperaturas são modificadas por processos de restauração metadinâmicos e estáticos. Este último processo pode incluir recuperação estática, recristalização estática e metadinâmica. O mecanismo de recuperação estática, ou seja, a redução da quantidade de defeitos pontuais e a eliminação do emaranhado de discordâncias em pequenas distâncias, é termicamente ativado. Assim, a cinética do processo é influenciada pela temperatura de processamento do aço. Além disso, as variáveis que afetam o movimento das discordância (barreiras) tais como átomos de soluto ou de precipitados, irão afetar a velocidade com que a recuperação ocorre.
- 173. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 173 Na laminação à quente, a recristalização estática pode iniciar espontaneamente. O núcleo de recristalização toma lugar preferencialmente nos contornos de grãos alongados e nas bandas de deformação. O amaciamento do material devido à recuperação e recristalização estáticas ocorre numa velocidade que depende das condições de deformação e da temperatura anteriores. De uma maneira geral pode-se dizer que quanto maior a temperatura do processo, o grau de deformação, a velocidade de deformação, ou seja fatores que aumentam a energia interna do material, maior é a taxa de ocorrência de recuperação. Os fatores que afetam a velocidade e o tamanho dos grãos recristalizados são:. 1. Tamanho de grão da austenita antes da deformação a qual é função da temperatura de aquecimento. 2. Temperatura de recristalização do material, 3. Quantidade de deformação antes de qualquer deformação, Como os sítios de recristalização são predominantemente localizados nos contornos de grãos, ambos: tempo de recristalização e tamanho de grão são afetados pelo tamanho de grão inicial. A Temperatura de recristalização de um aço é a temperatura mais baixa a qual a estrutura austenítica se recristaliza completamente após deformação. Portanto, quanto mais alta a temperatura de laminação a quente,maior será o número de grãos deformados que serão recristalizados. A temperatura de recristalização do material aumenta com a adição de elementos de liga. O cobalto, alumínio, nióbio, titânio e em menor grau o vanádio retardam a recristalização estática e dinâmica. Dependendo da quantidade de deformação na laminação, o processo de restauração estático se processa de três formas: a) Recuperação – Esta forma de restauração estática ocorre quando o laminador tem redução menor do que o valor crítico para a recristalização parcial. Neste caso, os grãos coalescem ao invés de refinar devido às tensões induzidas com as migrações nos contornos de grãos, produzindo grãos muito maiores do que os iniciais. Estes grãos grandes formados devido à pequena deformação na região de recuperação e permanece ainda após muitos passes na zona de recristalização parcial. b) Recristalização Parcial – Quando a redução na laminação é suficiente para iniciar a recristalização parcial, produzindo uma microestrutura mista de grãos recristalizados e grãos restabelecidos. c) Recristalização Completa – É a redução mínima na laminação na qual a austenita se recristaliza completamente e é sempre chamada de redução crítica de recristalização.
- 174. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 174 O tamanho de grão da austenita recristalizada diminui significativamente com o aumento no grau de redução total, como pode ser visto na fig.8.23. Fig.8.23 - Efeito da redução total sobre o tamanho de grão da austenita no aço nióbio a qual foi pré-aquecido para 1280o C ou 1150o C e subseqüentemente laminado em multi-passes. 2.1 - Mudanças Estruturais no Aço Durante o Resfriamento. Após a laminação a quente, o material é sujeito a um resfriamento combinado de ar e água. O tamanho de grão da ferrita será afetado por: a - temperatura final de laminação, b - atraso de tempo entre a laminação e o início do resfriamento com água, c - velocidade de resfriamento. O tamanho de grão da ferrita no aço aumenta com o aumento do atraso de tempo e diminui tanto com a diminuição da temperatura final de laminação quanto com o aumento da velocidade de resfriamento do material. 2.2 - Efeito da Estrutura do Aço na Tensão de Escoamento do Material. Durante a deformação do aço, energia é armazenada devido a deformação dos grãos na forma de defeitos no reticulado(discordâncias). Desta forma, onde ocorre uma recristalização em que os defeitos do reticulado são eliminados e a energia armazenada nos grãos deformados é reduzida, então a tensão de escoamento de uma estrutura completamente recristalizada será bem menor do que aquela que foi parcialmente recristalizada. Entretanto, um método para se avaliar corretamente a tensão de escoamento na laminação à quente, é considerar as seguintes duas situações. a - tempo de recristalização estático tR é menor ou igual ao tempo entre passes tI (tR<tI), b - tempo de recristalização estático tR é maior do que o tempo entre passes tI ( tR > tI ).
- 175. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 175 O primeiro caso está mostrado na fig.8.24 onde d01 é o tamanho de grão inicial antes do primeiro passe. A estrutura dos grãos é de completamente recristalizada (XR=1) após tempo tR a qual o tamanho de grão é igual a dR. Por conseguinte, a tensão de escoamento para o segundo passe pode ser determinada pelo uso da equação conhecida aplicável para estruturas de grãos completamente recristalizadas. Fig.8.24 - Evolução dos parâmetros estruturais entre os passes. No segundo caso a recristalização estática não se completa antes do segundo passe, então a tensão de escoamento pode ser apresentada como consistindo de dois componentes, ou seja: a componente da tensão de escoamento correspondente a parte recristalizada da estrutura dos grãos, e a componente da tensão de escoamento correspondente a parte não recristalizada da estrutura dos grãos. Estes fenômenos metalúrgicos citados são muito utilizados na laminação controlada devido a forte relação entre as mudanças microestruturais e as propriedades mecânicas do aço durante a laminação à quente e no resfriamento dos aços, na última década estudos tem sido feitos no sentido de se desenvolver modelos que levem em consideração propriedades físico-químicas e metalúrgicas do aço e também variáveis operacionais, com o objetivo de se otimizar o processo de laminação. O controle das propriedades mecânicas do aço durante a laminação contribui para a redução de custos devido a menor necessidade de adição de elementos de liga no refino do aço e redução de tratamentos térmicos posteriores, visando melhorar suas propriedades mecânicas. Além disso, um controle computacional microretrutural reduzirá o número de amostragens e conseqüentemente aumentará a produtividade da laminação.
- 176. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 176 09 - DECAPAGEM Decapagem é o processo de remoção da camada de ferrugem ou de carepa da superficie do aço, pela ação de uma solução ácida diluida, a fim de permitir a deformação a frio (como a laminação, estiramento ou estampagem), ou a aplicação de um recobrimento protetor (pintura ou eletrodeposição). 9.1 - CONSTITUIÇÃO DA CAMADA DE ÓXIDO Enquanto que a ferrugem consiste principalmente de hidróxido de ferro, a camada de óxido, apresenta várias zonas de diferentes composições, espessura e porosidade. Geralmente, observam-se dispostas uma sôbre a outra: Fe2O3; Fe3O4; wustita (“FeO”) e Ferro metálico (Fig. 9.1). O Fe2O3 representa uma casca dura e quebradiça, de coloração avermelhada. O Fe3O4 de coloração cinza azulada é mais poroso, enquanto a wustita tem uma estrutura granuIar e porosa. O “FeO” dissolve-se fácilmente nos ácidos diluidos, enquanto que o Fe3O4 já o faz mais dificilmente e o Fe2O3 ainda menos. Se a superfície metálica estiver recoberta de uma camada ínínterrupta de Fe2O3 será muito mais düícil efetuar a decapagem. Por felicidade, a carepa é quebradiça; mediante um processo de dobramento da chapa em ambos os sentidos, é possível de físsurar esta camada de óxidos, permitindo o acesso do ácido de decapagem à camada mais solúvel de FeO. Como meios de decapagem usam-se ácidos ou sais inorgânicos, sendo o ácido sulfúrico o mais empregado devido ao seu preço. Para a decapagem de aços especiais, utilizam-se misturas de ácido clorídrico e nítrico. O ataque das camadas de óxido com o ácido sulfúrico ocorre segundo as reações: Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O Fe3O4 + 4H2SO4 = FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O FeO + H2SO4 = FeSO4 + H2O Fig. 9.1 – Ataque do ácido nas diversas camadas de óxido da carepa. A velocidade de reação desta última equação sendo maior, a decapagem é facilitada
- 177. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 177 quando o ácido atinge a camada de FeO, através das fendas das camadas superiores. Além das reações acima, há um ataque não desejável, do ácido sôbre a chapa, ou seja: Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2. O progresso desta reação é dificultado pelas adições de inibidores de decapagem. A velocidade de decapagem aumenta com a concentração do ácido até um máximo de 25 a 30%, decaindo novamente a concentrações maiores. Um fator de ainda maior importância é a temperatura do banho; a decapagem à temperatura ambiente é lenta, e a cada 10°C de aumento de temperatura, até cêrca de 60°C, corresponde uma duplicação da velocidade de reação. Para a decapagem de peças começa-se com um banho à concentração de 20% a uma temperatura de 50°C; pouco a pouco o banho é aquecido até cêrca de 100ºC. O Sulfato ferroso, ao chegar ao ponto de saturação da solução (variável conforme a concentração e temperaturas, atingindo um máximo entre 60 e 70ºC), deposita-se no fundo do tanque. 9.2 - DECAPAGEM COM ÁCIDO CLORÍDRICO As reações da decapagem são as seguintes: Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O Fe3O4 + 8HCl = FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O A reação do ácido com o metal é: Fe + 2HCl = FeCI2 + H2 Trabalha-se com uma concentração de 20% inicialmente, baixando até 5% e às temperaturas de 20 até 40ºC. Temperaturas superiores a 40ºC resultam em perdas excessivas de ácido, pela evaporação, no caso de decapagem em tanques abertos. 9.3 - INIBIDORES São resíduos da produção de alcatrão ou parafinas, constituídos de longas cadeias de átomos de oxigênio, carbono, nitrogênio e enxôfre. Além de evitarem o ataque do ácido sôbre o metal, os inibídores impedem a formação de névoas ou fumaças de ácido no ambiente de decapagem. Além disso, o inibidor deve evitar a difusão do hidrogênio, que pode causar flocos ou bôlhas de decapagem.
- 178. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 178 Um bom inibidor não deve decompor-se à temperatura e à concentração dos banhos de decapagem, nem sujar a superflcíe metálica que protege. Os banhos já usados devem ser submetidos a um tratamento antes de serem descarregados para os esgotos, para evitar danos à vida anímal e vegetal. Este tratamento pode ser: neutralização ou recuperação do ácido. A neutralização é feita por meio de solução de leite de cal, juntamente com insuflação de ar. O sulfato de cálcio formado é sedimentado e retirado de tempos em tempos. Na recuperação, procura-se obter o sulfato ferroso mono-hidratado, FeSO4H2O, o qual na presença de oxidantes, regenera o ácido sulfúrico, obtendo-se como resíduo Fe2O3. 9.4 - DECAPAGEM CONTÍNUA O aparecimento dos laminadores contínuos (Tandem) a frio, para a produção de chapas finas e de fôlha-de-flandres, ocasionou o desenvolvimento da decapagem continua para o material laminado a quente e enrolado em bobinas. (Fig. 9.2). Uma decapagem continua é dividida em três partes, que podem ser controladas separadamente: alimentação, a decapagem propriamente dita e a saida. Fig. 9.2 - Esquema de uma decapagem continua, mostrando a preparação, o poço de acumulação de entrada, o tanque de decapagem (de três a cinco) e o tanque de água para separação em bobinas, com o aparamento lateral e, se necessário, o oleamento, durante a rebobinagem. a)Alimentação: Os componentes principais da zona de entrada são: o equipamento de manuseio para colocar a bobina em posição no desenrolador, a tesoura de pontas e a máquina para juntar os extremos das bobinas. O transportador de entrada de uma linha de decapagem deve possuir suficiente capacidade para armazenar 2 a 3 bobinas, de modo a manter o fluxo do material, mesmo que a ponte rolante ou outro sistema de transporte das mesmas, não esteja operando continuamente. Basculadores de bobinas são colocados no lado de entrada do transportador, para que a bobina fique com seu eixo na horizontal em vez de na vertical, como havia sido transportada desde o laminador a quente.
- 179. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 179 A bobina é colocada na desenroladeira, sendo mantida num eixo ou mandril e a tira é forçada a fazer uma curva em S ao se desenrolar e antes de entrar numa endireitadeira de rolos. Esta operação de dobramento causa grande número de fissuras transversais na camada de óxido, diminuindo a coesão desta com o metal e facilitando a ação do ácido. Outra vantagem é da tira ser aplainada e sofrer suficiente trabalho a frio para eliminar dobras localizadas. A desenroladeira está ligada a um gerador elétrico a fim de criar tensão suficiente na tira de uma maneira econômica, isto é, gerando energia. A seguir, a tira passa na tesoura de pontas cuja função é produzir borda adequada para a solda. Máquinas de solda tipo TAYLOR-WINFIELD, permitem que a junção dos dois extremos das tiras seja laminada no trem a frio. Óbviamente, a junta tem que ser da melhor qualidade: na máquina de solda, ambos os extremos da tira são presos firmemente por meio de garras condutoras de eletricidade, um arco elétrico é formado entre êles e os dois extremos são trazidos um de encontro ao outro, formando uma junta caldeada e a solda é rebarbada por meio de uma raspadeira móvel. A tira passa a seguir pelos rolos empurradores que a levam ao poço de acumulação (looping pit) o qual serve de estocagem intermediária, a fim de permitir que a seção de entrada possa parar para a alimentação de nova bobina e efetuar a solda com a extremidade da bobina anterior, sem haver interrupção do processamento da tira nos tanques de decapagem. Às vêzes, o poço de acumulação está cheio de água para diminuir o atrito entre as superficies. Em seguida, vem o segundo conjunto de rolos empurradores que alimenta a tira na decapagem propriamente dita. b) Tanques de decapagem: A zona de decapagem normalmente contém quatro tanques de 18 a 25m de comprimento, 1,20m de profundidade e 30 a 40 cm mais largos que a tira máxima a ser decapada e que, em geral, são construídos de chapas de aço soldadas de, pelo menos 3/8 polegadas de espessura, com um revestimento de borracha vulcanizada no seu interior. Para proteger a borracha da abrasão e calor excessivos, existe um outro revestimento, de 200mm, de tijolo antiácido vitrificado, feito em duas camadas, unidas por um cimento antiácido. Tampas de chapa, revestidas de borracha, servem de cobertura para os tanques e lateralmente é feita a exaustão (por meio de ventiladores de pás recobertas de borracha), para evitar o escape de vapôres de ácido para o ambiente. O aquecimento é feito pelo vapor injetado ao longo das paredes. Nos extremos de cada tanque, grandes rolos revestidos de borracha, aparados por meio de cilindros pneumáticos, mantém a tira mergulhada no ácido.
- 180. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 180 Um tanque de lavagem com jatos de água fria sob pressão, seguido de outro com água quente completam o sistema. c) Saída: Ao deixar cada um desses tanques a tira passa entre rolos de borracha, que são comprimidos contra a tira, retirando o excesso de solução. A velocidade de uma linha de decapagem é cêrca-de 200m/min e o comprimento total da instalação, 250m. O ácido usado para a decapagem de aço comum é normalmente ácido sulfúrico diluido (devido ao seu baixo custo, comparado com o de outros ácidos). A concentração é no máximo de 15-17% e a temperatura do banho é próxima à da ebulição da água. A medida que o solução de decapagem vai sendo usada, cresce a concentração de sulfato ferroso até um limite máximo tolerável, em que começa a prejudicar o aspecto da chapa, sendo então necessário trocar a solução. 9.5 - LIMPEZA DA SUPERFÍCIE POR MEIOS MECÂNICOS Consiste na remoção da camada de óxido por meio de impacto de jatos de areia ou de granalha metálica. Certas máquinas utilizam o ar comprimido e outras, força centrifuga, para impulsionar as partículas de granalha. O emprêgo de areia de sílica, projetada contra a superfícíe metálica por meío de ar comprimido, não se recomenda, não só pelos custos substancialmente maiores, como devido ao perigo de Silicose para os trabalhadores. Uma variante dêste processo é a utilização de água sob pressão (até 120 kg/cm2 ) com mistura de areia de quartzo; é usada principalmente em fundições, para limpeza e acabamento de peças. Nas máquinas que empregam a fôrça centrifuga, dependendo do material a ser decapado (tubos, tarugos ou chapas), varia o número de turbinas, que são colocadas de modo a atingir uniformemente roda a superfície das peças. As turbinas de várias aletas são alimentadas axialmente, o que permite a orientação da granalha em várias inclinações. A roda da turbina tem diâmetro entre 300 e 600mm e gira entre 2.000 a 2.800 rpm. (Fig. 9.3).
- 181. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 181 Fig. 9.3 – Turbina para limpeza de tarugos ou chapas por meio de projeção centrífuga de jatos metálicos (granalha) contra a superfície a limpar. 10 - LAMINAÇÃO A FRIO Na definição da A.I.S.I (American Iron and Steel Institute) Chapas finas laminadas a frio, cortadas ou em bobinas, são produtos planos de aço, entre as espessuras de 0,36mm e 6,34mm (0,0142" a 0,2499") [81]. A Especificaçào Brasileira EB-188 aplica-se às chapas finas de aço carbono com espessura igualou superior a 0,30mm até 6,00mm inclusive, com os diversos acabamentos .especificados, em chapas cortadas ou bobinas. A mesma especificação compreende quatro grupos de qualidades em que se podem enquadrar as chapas finas de aço ao carbono [81]: Qualidade Comum Qualidade Estampagem Qualidade Baixo Teor de Metalóides Qualidade Requisitos de Propriedades Mecânicas a) Qualidade comum: É elaborada com aço de baixo teor de carbono, efervescente, acalmado mecânicamente, ou semi-acalmado. É produzida com superfície fôsca, adequada para a aplicação de vernizes orgânicos, tais como: pintura e esmaltes, mas que não é indicada para a eletrodeposição onde a superficie lisa e isenta de defeitos é essencial. As chapas cortadas não devem apresentar defeitos que sejam claramente visiveis na sua superficie; as bobinas poderão ter maior porcentagem de defeitos, porque o produtor não tem a mesma possibilidade de rejeitar as partes contendo imperfeições como no caso de chapas. A chapa de qualidade comercial até 0,1570 de carbono deve ser dobrada sôbre si mesma, em qualquer direção, sem haver fissuras visíveis ao longo da dobra. Para teores de carbono entre 0,15 e 0,25%, o corpo de prova deve poder ser dobrado a 180º em tôrno de uma peça, tendo uma espessura igual à do especimen, sem apresentar fissuras.
- 182. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 182 Chapas de acabamento brilhante são produzidas pela passagem entre cilindros esmerilhados e polidos e possuem acabamento mais lustroso que as de qualidade comercial, sendo indicadas para as peças que necessitem bom acabamento com pouca deformação. Para a eletrodeposição estas chapas devem ser submetidas a polimento prévio. b) Chapa laminada a frio para estampagem: É produzida a partir de aços selecionados e especialmente processada para ter caracteristicas uniformes de estampagem, sendo obtida normalmente a partir de aço efervescente. Em caso de estampagem particularmente severa, especifica-se aço acalmado. A superficie é geralmente fôsca, para aplicação de tintas ou esmaltes, mas não é adequada à eletrodeposição, onde a isenção de defeitos superficiais é essencial. As chapas dêste tipo de aço deverão produzir, dentro das tolerâncias negociadas em cada caso entre o produtor e o consumidor, peças determinadas. c) Qualidade baixo teor de metawides: São produzidas com análise química tal, que a soma dos teores dos vários elementos seja baixa e são empregadas na fabricação de peças revestidas com esmaltação vitrea, galvanização, etc. d) Requisitos de propriedades mecânicas: As chapas finas produzidas sob Requisitos e Propriedades Mecânicas Determinadas são destinadas a peças sujeitas a esforços de qualquer natureza ou conjuntos estruturais diversos. Então, são exigidas propriedades mecânicas especificadas, tais como: ensaio de tração, dureza, etc. As chapas desta qualidade de aço podem ser também produzidas de acôrdo com determinadas faixas de dureza Rockwell. 10.1 - PROCESSOS DE LAMINAÇÃO O processo de produção de chapas ou bobinas laminadas a frio compreende inicialmente a deformação do aço a temperaturas abaixo do ponto crítico. Este ponto varia com o tipo de aço: 627°C para o ciclo de resfriamento e 727°C para o ciclo de aquecimento são temperaturas bastante representativas [81]. A redução a frio é obtida pela deformação da estrutura cristalina; resulta numa elevação da resistência à tração, da dureza superficial, do limite elástico e numa redução da dutilidade. A seguir, o material é submetido a um recozimento (para restituir-lhe dutilidade) e depois, a um passe de acabamento ou de encruamento, para uniformizar a superficie ou obter uma dureza determinada e homogênea, em roda a área. As chapas finas ou bobinas laminadas a frio podem ser produzidas numa grande variedade de equipamentos, seja Duo, Trio, Quádruo ou Multiplo; as cadeiras poderão ser dispostas isoladamente ou em Tandem.
- 183. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 183 10.2 - CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TIPOS DE LAMINADORES: As vantagens da utilização de cilindros de trabalho de pequeno diâmetro seriam [81]: a) para uma dada redução, a carga sôbre o laminador é menor; b) a deformação elástica do cilindro no arco de contato (ou achatamento do cilindro, como é chamado comumente) é diminuída; c) a energia necessária é menor; d) o alargamento lateral é reduzido e, portanto, a tendência para fendilhamento nos bordos é menor. Por outro lado, é mais difícil de alimentar tira, os cilindros aquecem-se mais e há maior dificuldade na transmissão da energia mecânica devido ao pequeno diâmetro dos pinhões que deverão ser usados. A tendência na laminação a frio tem sido de aumentar as velocidades dos cilindros, reduzir os tempos improdutivos e mecanizar cada vez mais, o manuseio do material. Daí a laminação contínua de bobinas em várias cadeiras vir substituindo a laminação de chapas individuais. 10.3 - RESFRIAMENTO DOS CILINDROS: Durante a operação, uma considerável quantidade de calor égerada na tira e nos cilindros de trabalho, pelo atrito e pela deformação plástica do material; parte dêste calor é levada pela tira e parte passa aos cilindros. À medida que a velocidade aumenta, a quantidade de calor passando aos cilindros na unidade de tempo, também aumenta. Como o cilindro não é aquecido uniformemente, pois o centro é sempre mais quente que as bordas, haverá a tendência de mudar a forma do cilindro e, portanto, quanto maior a velocidade, mais vigoroso deve ser o resfriamento. No caso de chapas de aço comum, pode-se usar óleo solúvel, contendo até 90-95% de água, sem detrimento à qualidade. No caso de aços ligados, a mistura óleo solúvel e água, mancha a tira, devendo-se usar um óleo mineral ou orgânico, cuja capacidade de resfriamento, em média, é metade da água. Por isso, a sua velocidade de laminação é limitada a 300 m/min, enquanto o aço comum pode ser laminado a 1000-1200 m/min. Ao laminar a frio chapas finas para carroçaria, utilizam-se, como lubrificantes, emulsões de óleos minerais que servem, além de reduzir o coeficiente de atrito durante a laminação, também para remover o calor gerado pelo trabalho de redução. Quando porém, a espessura final é inferior a 0,35mm, o efeito lubrificante dos óleos emulsionáveis (que em geral são hidrocarbonetos saturados de cadeia aberta) não é mais suficiente; deve-se usar óleo de palma (azeite de dendê). Ao contrário dos óleos emulsionaveis, que durante o recozimento gaseificam sem
- 184. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 184 residuos, as graxas orgânicas, ao queimar deixam depósitos que dificultam a laminação de encruamento e mais tarde, durante a deposição da camada de estanho, não permitem uma boa adesão da camada metálica de proteção, necessitando por isso, de uma decapagem eletrolitica para sua remoção. 10.4 - LAMINADORES CONTINUOS: A laminação a frio em várias cadeiras, desenvolveu-se a partir de 1928, quando foram empregados os primeiros laminadores quádruo, em Tandem. Logo, foi descoberta a influência da tensão entre as cadeiras (ou entre as bobinadeiras e o trem, no caso do laminador reversível). Num trem de várias cadeiras, a tíra é enfiada entre os cilindros a velocidades relativamente baixas e introduzida na bobinadeira. A tensão então é aplicada entre as cadeiras e entre a última cadeira e a bobinadeira e mantida durante o tempo em que o laminador é acelerado até a velocidade de trabalho. A desaceleração no final da bobina é feita também procurando-se manter constante a tensão entre as cadeiras. Os laminadores contínuos consistem de três a seis cadeiras, normalmente do tipo quádruo, equipadas com uma desenroladeira do lado de entrada e uma bobinadeira tensionadora do lado de saída. Geralmente, há uma enroladora de correia para guiar a ponta da tira em tôrno do mandril expansivel, eliminando-se, assim, a necessidade de parar a bobinadeira em posição certa e determinada para inserir a ponta da tira entre as garras de pressão. Os conjuntos de laminadores continuos são: de 3 e 4 cadeiras e até 2.490mm de largura, para chapa fina laminada a frio, chapa de carroçaria de automóveis, etc.; de 4 a 5 cadeiras até1.425mm de largura, para chapas mais leves e para fôlhas-de-flandres; e de 5 a 6 cadeiras para fôlhas-de-flandres. Com o aumento da velocidade de saída, os mais recentes laminadores para fôlhas trabalham acima de 2.100m/min., o que implica na necessidade de se operar com bobinas cada vez maiores, senão, o laminador estaria constantemente acelerando e desacelerando. Este problema foi resolvido soldando-se várias bobinas numa só, durante a decapagem continua. 10.5 - BOBINADEIRAS A enroladeira tensíonadora, de um laminador a frio deve receber a ponta da bobina ao sair da cadeira, prendê-Ia e colocá-Ia sob tensão, sem choques bruscos ou exagerados; deve enrolar a tira com uma tensão constante e automàticamente diminuir a velocidade, sem alterar a tensão, à medida que a bobina aumenta de diâmetro. 10.6 - OPERAÇÃO A chapa no instante em que entra em contato com o cilindro de trabalho, desloca-se à velocidade menor que a da superfície dêste, mas durante a redução, a velocidade vai
- 185. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 185 aumentando e, finalmente, deixa o cilindro com velocidade ligeiramente maior do que velocidade periférica do cilindro. Esta diferença de velocidade entre a tira e a superfície do cilindro, durante a sua passagem através o laminador, ocorre enquanto a mesma está sendo submetida a uma pressão elevada. O movimento relativo entre a tira e a periferia do cilindro é possibilitado pela lubrificação: no caso de haver deficiência de lubrificante a superfície da tira é rasgada; se houver excesso, os cilindros escorregam e não se pode reduzir corretamente o material. A redução a frio é feita até 50% pelo menos, da espessura original da tira laminada a quente, ou seja, ao dôbro do comprimento inicial, para evitar má estrutura granulométrica depois do recozimento. O máximo de redução sem que o aço fique demasiado duro e quebradiço, tornando anti-econômica a laminação, é até 90% da espessura original. Os cilindros de trabalho, usados na laminação de tiras a frio são de ferro fundido nas duas primeiras cadeiras e de aço forjado nas outras, porque nos passes iniciais o material ainda está relativamente maleável, enquanto que nas últimas já está encruado; a dureza e o polimento dos cilindros de aço forjado assume importáncia fundamental para a boa superfície ,da chapa. 10.7 - LAMINAÇÃO DE CHAPA FINA A chapa fina para a produção de folhas de flandres tem de 610 mm a 940 mm de largura e desde 0,178 mm a 0,571 mm de espessura. O processo consíste na redução a frio em laminadores contínuos de 4, 5 e 6 cadeiras ou num laminador reversível. A seguir, os resíduos de óleo de laminação são removidos numa linha de limpeza eletrolítica; a bobina é recozida entre 650 e 700°C; depois passa pelo laminador de encruamento com uma ou duas cadeiras, para obter a dureza superficial, acabamento e aplainamento desejados, antes de ser cortada na linha de tesouras. 10.8 - PRODUÇÃO DE FÔLHAS MUITA FINAS A chamada fôlha-de-flandres fina (Thin tin) tem até 1.067mm de largura e de 0,076mm a 0,178mm de espessura. Os métodos de produção são diversos: a) laminar num laminador de 6 cadeiras: b) usar um laminador de 4 ou 5 cadeiras e depois um laminador reversível para as reduções finais; c) laminar num laminador de 4 ou 5 cadeiras, efetuar um recozimento intermediário e reduzir até à bitola final num laminador de 2 ou 3 cadeiras, antes de se fazer o estanhamento.
- 186. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 186 10.9 - LAMINADORES DE ENCRUAMENTO E DE ACABAMENTO O material depois do recozimento, tem uma grande maleabilidade e em muitos casos, é necessário aumentar a resistência à tração, o que é feito pelo encruamento, que normalmente é uma redução da espessura da chapa. A laminação de encruamento tem por fim: melhorar o aspecto da superficie que devido ao recozimento tornou-se fôsca, tornando-a bem plana e brilhante; aumentar o limite de deformação permanente; e evitar as linhas de Luder (Stretcher Strains) durante uma estampagem posterior. A redução varia de 0,5% até um máximo de 4%, dependendo da dureza superficial desejada. O material para estampagem profunda recebe apenas uma redução de 0,5% (Fig. 10.1), enquanto que o que se destina a partes estruturais sofre uma redução maior. As primeiras instalações de encruamento, eram de uma só cadeira, com a tensão aplicada entre a desenroladeira e o laminador, por meio de freios mecánicos. A demanda crescente de melhor acabamento e maior dureza superficial, obrigando a passar as bobinas duas vêzes pelo mesmo laminador, levaram à construção de instalações de duas cadeiras, principalmente para a fõlha-de-flandres. Um laminador com duas cadeiras pode obter maiores reduções e também, atingir maior tensão entre as cadeiras do que a possivel de obter entre uma única cadeira e a bobinadeira. Esta tensão maior tende a aumentar o aplainamento e produzir um material melhor que o obtido apenas pela laminação em uma só cadeira. Fig. 10.1 - Laminador de encruamenlo de uma só cadeira para chapas laminada a frio [81]. A tensão na desenroladeira deve ser controlada para evitar marcas de deformação, "stretcher strains", que podem ocorrer se a tira é esticada demasiadamente antes de laminar. Durante a laminação de encruamento, a tensão deve ser suficiente para exceder o limite de deformação permanente, mas não aproximar-se muito do limite de ruptura.
- 187. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 187 A primeira cadeira faz uma redução leve, de até 10%, para aplainar o material, eliminar irregularidades de bitola e dar a tensão necessária na tira, ao entrar na segunda cadeira. Esta é que efetua á maior redução, podendo atingir até 50%. Um medidor automático de espessura por meio de Raios X, mede a bitola da chapa e comanda os parafusos ajustadores ou a tensão entre as cadeiras, para dar espessura uniforme. A produção de durezas superficiais elevadas, tem conduzido a aumentar a poténcia dos motores a valores da ordem de 1/2 HP para cada centimetro da largura dos cilindros de trabalho e cada 15 metros por minuto de velocidade nominal. A pressão de laminação é da ordem de 900 kgf por mm de largura da tira; as tensões são da ordem de 30 a 60% da resistência mecânica do material. 10.10 - PROCESSO DE LAMINAÇÃO A FRIO DA USINA VEGA DO SUL 10.10.1 - Produtos e Aplicações da Usina Vega do Sul Bobina decapada a quente: Espessuras entre 2,0 e 4,8 mm e larguras entre 750 e 1875 mm. É aplicado em rodas de automóveis, botijão de gás, compressores, entre outras peças. Bobina fina a frio: Espessuras entre 0,4 e 2,0 mm e larguras entre 750 e 1875 mm. É utilizado em automóveis, eletrodoméstico, entre outros. Extragal: São chapas de aço com revestimento de zinco. Espessura do Revestimento 4 a 25μ (30 a 175 g/m²) por face. Benefícios Alta resistência à corrosão. Aplicação Indústria automobilística, de eletrodomésticos e da construção civil. Galvalia: São chapas de aço com revestimento de liga zinco e ferro. Espessura do Revestimento 4 a 10μ (30 a 70 g/m²) por face. Benefícios Alta resistência à corrosão, boa soldabilidade e excelente aderência à pintura.
- 188. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 188 Aplicação Indústria automobilística e de eletrodomésticos 10.10.2 - Produção da Vega do Sul A Vega do Sul é uma planta industrial que utiliza como matéria-prima bobinas laminadas a quente fornecidas pela CST, de Vitória (ES). A Vega do Sul não é uma usina siderúrgica integrada, pois trabalha somente com o beneficiamento (tratamento) do aço. A empresa produz atualmente bobinas laminadas a frio através dos seguintes estágios: 10.10.3 - Etapas da Produção: 1 - Linha de decapagem: Processo de remoção da camada de óxidos da superfície das bobinas laminadas a quente. 2 - Laminador a frio de 4 cadeiras: Processo de redução da espessura das chapas de aço laminadas a quente através da laminação a frio. 3- Recozimento em caixa: Processo de tratamento térmico utilizado para restituir as propriedades mecânicas do aço após sua laminação a frio, adequando-as à aplicação final pelo cliente. 4- Encruamento: Processo de redução a frio da bobina de aço, com baixos valores de redução, utilizado para ajustar as propriedades mecânicas do material, introduzir a textura superficial e melhorar a planicidade do produto final. 5- Linha de galvanização: Processo de revestimento da superfície da bobina com uma fina camada de zinco para o aumento da resistência à corrosão do aço. 6 - Linha de inspeção: Procedimento de inspeção final da qualidade do produto antes do envio do produto acabado para os clientes. 1- Decapagem A finalidade deste processo é a remoção da camada de óxido superficial (carepa) gerada no processo de laminação a quente. A carepa é removida através de uma solução de Ácido Clorídrico, no qual a chapa é imersa. A solução ácida remove os óxidos da chapa, resultando em uma superfície adequada às aplicações ou processos posteriores.
- 189. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 189 O processo de decapagem possui um circuito fechado com uma unidade de regeneração de ácidos, cuja finalidade é recuperar o Ácido Clorídrico, que é reutilizado na preparação da solução ácida, evitando a contaminação do meio ambiente e o aumento de custos do processo. Fig.10.2 – Foto da linha de decapagem da usina Vega do sul Fig.10.3 – Foto da linha de decapagem da usina Vega do sul 2 - Laminação a Frio O objetivo deste processo é a obtenção de chapas finas por meio da redução a frio controlada, garantindo ao produto homogeneidade de espessura, planicidade e rugosidade adequada às etapas seguintes. O laminador de tiras a frio com 4 cadeiras reduz a espessura da tira para os valores especificados pelo cliente. Neste processo, o aço sofre esforços de compressão de até 3.000 toneladas em cada cadeira, e trações de até 60 toneladas entre elas. As cadeiras são equipadas com controle de espessura e planicidade.
- 190. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 190 Fig.10.4 – Esquema da linha de decapagem e laminação a frio da usina Vega do Sul 3 - Recozimento Este processo tem o objetivo de restaurar as propriedades mecânicas do material, perdidas no processo de laminação a frio. Permite desenvolver textura interna favorável aos processos em conformidade às necessidades dos clientes finais, tais como a estampagem realizada em chapas utilizadas em automóveis e eletrodomésticos. Fig.10.5 – Foto da área de recozimento das bobinas de Vega do sul 4- Encruamento A finalidade deste processo é ajustar as propriedades mecânicas do material, introduzir a textura superficial e melhorar a planicidade do produto final. Isso se obtém por meio da laminação com baixas taxas de redução.
- 191. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 191 Fig.10.6 - Foto do laminador de encruamento de Vega do Sul Fig.10.7 – Esquema da linha de recozimento e laminador de encruamento de Vega do Sul 5 - Galvanização A finalidade desse processo é o revestimento da superfície da bobina laminada a frio com uma fina camada de zinco para proteger o aço contra a corrosão. Para a indústria automobilística a proteção contra a corrosão das carrocerias é um importante diferencial competitivo, por ter garantia de 12 anos. Para atender essa necessidade, a Vega do Sul produz bobinas de aço revestidas para a indústria automobilística, e para outros segmentos industriais como o de eletrodomésticos e da construção civil. A linha de galvanização consiste em um conjunto de processos contínuos que garantem características mecânicas e de revestimento necessárias ao produto final. As bobinas laminadas a frio passam na entrada da linha por uma seção de limpeza da superfície, para na seqüência, serem submetidas a um processo de recozimento contínuo. Finalizado o recozimento, o metal está pronto para receber o revestimento. A chapa é mergulhada em um banho de zinco fundido de elevada pureza, dando origem ao revestimento do tipo Extragal.
- 192. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 192 O revestimento tipo Galvalia é obtido submetendo a bobina, após sua saída do pote de zinco, a um tratamento térmico, que transforma o revestimento de zinco puro em uma liga zinco-ferro. Terminado o revestimento, a bobina passa pelo processo de encruamento para ajustar as propriedades mecânicas do material, introduzir a textura superficial do produto e melhorar a planicidade. A Linha de Galvanização a quente dispõe ainda de um processo de tratamento de superfície, a cromatização, utilizado para aumentar a resistência à corrosão da bobina de aço revestida. No final da Linha de Galvanização, a bobina é inspecionada, oleada e embalada para envio aos clientes. Fig.10.8 – Esquema da Linha de Galvanização de Vega do Sul
- 193. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 193 11 - A SIDERURGIA E O MEIO AMBIENTE 11.1 - INTRODUÇÃO A produção do aço em usinas siderúrgicas integradas ou não, é acompanhada de uma série de operações inter-relacionadas, partindo de matérias primas naturais ou sucatas de aço e indo até a produção de produtos semi-acabados, como: placas, chapas, perfis, tarugos ou bobinas de aço acabadas a quente ou a frio, revestidas ou não. Em uma usina integrada a coque, as principais operações são: 1) Produção de coque (coqueria) 2) Produção do sínter (sinterizações) 3) Produção do gusa (altos-fornos) 4) Pré-tratamento do gusa (dessulfuração. dessiliciação e/ou desfosforação) 5) Produção do aço (aciaria) - refino primário. secundário e lingotamento 6) Conformação de produtos semi-acabados (laminações) - a quente e a frio 7) Serviços auxiliares (fábrica de oxigênio. manutenção industrial. fornos de calcinação. manuseio de matérias primas. produção de energia. tratamento de água e de resíduos industriais) Todas estas operações unitárias. estão atreladas a processos físicoquímicos. termodinãmicos e cinéticos que basicamente visam a transfonnaçfD do minério de ferro em aço. Do ponto de vista ambiental. cada operação dentro de uma usina siderúrgica esta associada ao consumo de matérias primas. insumos e energia. gerando por sua vez. resíduos sólidos. líquidos e gasosos. Visando sistematizar o processo de produção do aço. será apresentado a seguir. uma tabela contendo as principais informações, correlacionadas com os aspectos ambientais e seus processos metalúrgicos.
- 194. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 194 Tabela 11.1 - Resíduos Sólidos e Impactos Ambientais - Produção do Aço. Fonte: Technical and Management Issues, ch.3. Planta industrial Subdivisões Resíduos – Sólidos/líquidos e/ou Gasosos Coqueria Gases(NOx/VOCs) Dioxinas Metano Benzeno Fenóis Compostos alfáticos Sinterização Material particulado Dioxinas Gases (CO/CO2/SO2/NOx/VOCs) Alto - Forno Fenóis Cianetos Amônia Sulfetos Gases (CO/CO2/NOx) Refratários Escória Dessulfuração Material particulado Refino do Aço Refino primário (convertedor) Material particulado Material particulado Metais (Zn) Gases (CO/CO2/VOC's) Metais solúveis Material sedimentável Escória Refratários Refino secunário Gases (CO/CO2) Material particulado Sucata Escória Refratários Lingotamento Contínuo Sucata Material particulado Sólidos suspensos Óleos Laminação Óleos Ácidos Gases (CO/CO2/SO2/NOx/VOC's) Material sedimentável Metais solúveis
- 195. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 195 11.1.2 - Balanço de Massa: Total: Usinas integradas & Aciarias elétricas: 1,0 t. de aço bruto 0,87 t. de materiais não incorporados ao aço 2,19ton. Minério de ferro / Sucatas e outros insumos 0,32 t. de escórias 11.1.3 - Aço um Produto Ecológico? Esta é uma questão que em princípio pode parecer até absurda, pois a produção do aço além de consumir recursos naturais não renováveis (bens minerais), necessitar de uma grande quantidade de energia (carvão/eletricidade), consumir recursos renováveis (ar, oxigênio, água, etc...) gera uma quantidade de resíduos industriais em quantidade apreciável (escórias, lamas, gases, pós, carepas e sucatas). Mas, quando se analisa o ciclo de vida do produto aço como um todo, passa-se a se ter uma nova situação, pois: o aço além de ser 100 % reciclável, de baixo custo e elevada versatilidade. tem incorporado em sua produção novas tecnologias possibilitando a minimização dos impactos negativos decorrente de seu processo de produção. Os produtos feitos em aço, a cada dia, têm se tornado mais resistentes (maior durabilidade), com menor peso específico (menor demanda de material para uma dada aplicação) e mais recic1áveis. Causando impactos ambientais positivos, pela diminuição do consumo de energia, diminuição da geração de gases de efeito estufa, melhoria da segurança e aumento da eficiência elétrica dos motores, etc... O desenvolvimento do "super aço". para fins estruturais. em curso. tem indicado a possibilidade de redução do peso específico em estruturas metálicas. Para fins de comparação a torre Eiffel, construída em 1889. com a mais avançada tecnologia para a época, possui 300 metros de altura. Com o "super aço" poderá se construir. com a mesma quantidade de material. uma estrutura de 750 metros de altura. 11.2 - RESÍDUOS SIDERÚRGICOS E RECICLAGEM Durante o processo de produção e transformação do aço em usinas siderúrgicas integradas tem-se a geração de diversos tipos e em grande quantidade de resíduos sólidos. Estes resíduos podem ser classificados em 3 grupos; os ditos recic1áveis contendo ferro. os resíduos carboquímicos e as escórias. Entre os recic1áveis contendo ferro estão: as poeiras e lamas de alto-forno, de aciaria e da sinterização. as lamas das unidades de tratamento e recirculação da águas das laminações e as carepas. As escórias são basicamente provenientes do alto-forno e da aciaria (refino primário e secundário do aço), já os resíduos carboquímicos são gerados pelas etapas de produção e manuseio do coque. Em uma usina integrada brasileira, cada tonelada de aço (produto acabado) gera. aproximadamente, 200 kg de resíduos sólidos ricos em ferro (25-85% em massa), ou seja. levando-se em conta o atual parque siderúrgico nacional, temos: 3.106 t/ano. Em geral, os resíduos sólidos, ricos em ferro, apresentam-se nas seguintes
- 196. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 196 classes/formas e porcentagens (em massa): pós - 10%; finos - 50%; lamas - 20%; carepas - 20%. Atualmente, tais resíduos recebem basicamente as seguintes destinações: * Aproximadamente 6% das lamas são comercializados * 14% destinados à áreas de acumulação * Pós. finos e carepas retornam à sinterização. Embora a reciclagem da maior parte (80%) dos resíduos sólidos ricos em ferro via sinterização seja uma prática siderúrgica comum, todavia, devido principalmente às características granulométricas dos mesmos (uma alta porcentagem de particulados com granulometria inferior a 0,150 mm), tal prática não é a mais recomendada, por diminuir a permeabilidade da carga e conseqüente produtividade da sinterização. A reciclagem por meio de pelotização/briquetagem destes resíduos parece ser uma rota atraente, pois: *Flexibiliza a reciclagem conjunta de quase totalidade de resíduos sólidos gerados durante a produção e transfonnação do aço; *Pode-se utilizar como redutor coque ou seus subprodutos; *produto pode ser um ferro esponja, ou metal líquido; *Diminui a demanda de matérias primas e insumos externos; *Promove um ganho econômico e ambiental (internalização dos impactos ambientais); *Por simples desintegração ou eventual moagem e/ou classificação se obtém uma matéria-prima apta à pelotização / briquetagem; *Promove a busca de um desenvolvimento mais sustentável do negócio. Basicamente, do ponto de vista das tecnologias existentes tem-se o processo de sinterização, a pelotização ou a briquetagem dos resíduos como operações convenientes para a transformação destes em produtos ou insumos. A figura 9.1 a seguir apresenta um fluxograma de recilagem.
- 197. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 197 Fig.9.1- Fluxograma geral para reciclagem de resíduos sólidos em usinas siderúrgicas. 11.3 - ESCÓRIAS SIDERÚRGICAS: ALTOS-FORNOS E ACIARIAS Do ponto de vista de geral, o balanço da geração de resíduos na produção de aço (usinas integradas a coque) pode ser indicado pelas caixas a seguir: 1,0 t de aço bruto 2,40 t de minério de ferro e outros insumos 1,03 t de materiais não incorporados 0,37 t de escórias Fig.9.2 - Balanço da Geração de Resíduos. (base: usina integrada - alto-fomo / LD). As escórias, de alto-forno e de aciaria são uma das maiores classes de resíduos gerados em usinas siderúrgicas, porém já possuem uma larga utilização em outros processos industriais, ou emprego "in natura". Seu emprego não é maior, devido à competição com produtos naturais (calcário), alto custo do frete, necessidade de regulamentação, normalização e "lobby" dos produtores de cimento (barrar seu emprego direto como agregado). Do ponto de vista tecnológico: os aspectos envolvidos na sua aplicação são a granulação (escórias de altos-fornos) e o controle da expansão (escórias de aciaria). Basicamente para cada tonelada de gusa produzido, em torno de 600 a 700kg. de escória de alto-forno são gerados, e para cada tonelada de aço líquido processado, 100 a 150 kg de escória de aciaria são formados. A seguir, é apresentado algumas das destinações / aplicações mais usuais, para as escórias siderúrgicas.
- 198. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 198 Tabela.9.2 - Emprego/Destinação e Aplicação das Escórias Siderúrgicas. Tipo de Escória Escória de Aciaria Escória de Alto-Forno Principal limitação tecnológica Sua expansão volumétrica Necessidade de granulação Aplicação Pavimentação, lastro ferroviário, artefatos de concreto (blocos, tubos, guias, blocos intertravados,...), contenção de encostas, drenagens, fertilizantes, corretivos de solo. Matéria-prima para a produção industrial (cimento, lã mineral, indústria de vidro), asfalto, aterros, lastro ferroviário, bases de estradas. 09.4 - REFRATÁRIOS Os refratários são materiais, utilizados como revestimentos de equipamentos siderúrgicos, e possuem como função básica a contenção de metal líquido e o isolamento térmico. O mercado brasileiro de materiais refratários é da ordem de 181.000 toneladas ano (base: 1998), gerando uma média percentual estimada de 32% de sucata refratária (58.000 toneladas). Os refratários após uso apresentam problemas específicos para serem reciclados, podendo ser dividido em duas classes. a) Reciclagem de descartes na fabricação: . Os descartes gerados no produtor são de origem conhecida . Em geral, não possuem contaminações . Os custos de processamento são menores, pois em geral. envolvem apenas estocagem, moagem, e classificação . Podem ser dosados em pequenas quantidades, na proporção que são gerados . Menor envolvimento de terceiros . Menor incidência de regulamentações e legislação específica; b) Reciclagem de descartes pelo consumidor: . Descartes gerados no consumidor são muitas vezes de origem desconhecida . Em geral, possuem contaminações (outros refratários, alterações químicas,escória,
- 199. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 199 aço) . Os custos de processamento são maiores. pois em geral. envolvem a demolição, seleção, limpeza, moagem, classificação, estocagem e transporte . Podem ser taxados de impostos . Possuem legislação ambiental específica, quando classificados como resíduos. 11.5 - SUCATAS A reciclagem de sucatas ferrosas. além de ser um negócio que movimenta bilhões de dólares por ano (EUA - US$ 5 bilhões em 1998) é uma prática ambientalmente muito desejável. pois minimiza o gasto energético e aumenta a disponibilidade de recursos naturais. como pode se evidenciado pela tabela a seguir. Tabela.9.3 - Energia Requerida para Extração do Metal- Fonte: Reciclagem e Substituição de Metais - ABM /julho 1992. Metal Energia de extração Energia de Trânsformação 1012 J/ton (sucata)- 103 kWh/t. Industrial Recuperação Magnésio 359 1,9 Titânio 501 52,4 Cobre 54 1,8 Alumínio 236 2.0 Ferro 22 1,7 Esta facilidade de transformação (ganho energético) , atrelado à dinâmica da disponibilidade de sucatas. menor investimento de instalações e aumento da qualidade dos produtos provenientes da transformação do aço em usinas (Mini Mills e aciarias elétricas), tem dado um grande impulso à indústria de reciclagem. Outro fator importante para o aumento da reciclagem é a diminuição de áreas disponíveis para a disposição de sucatas e o alto custo desta prática. ( UK: US$ 5 a 23/t. - RFA: US$ 250 a 375/ t. - Japão: US$ 93 /t.). Tabela.9.4 - Relação entre produção e reciclagem de latas de aço - fonte: Aspects of Steel Recycling – IISI, 1995. País UK Japão Alemanha . EUA França Produção kton/ano 700 1438 856 Nd 567 1990 11% 50 % 50% 34% 32% 1995 Nd Nd 75 % 66% 50 % 2000 (estimativa) 37-50 % Nd 95 % Nd 75 %
- 200. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 200 Do ponto de vista negativo da reciclagem das sucatas ferrosa, tem-se a geração de resíduos perigosos (Zn), decorrente do aumento da utilização de sucatas galvanizadas e a contaminação radioativa de sucatas provenientes de dispositivos nucleares (armamentos, medidores, reatores, etc...). Como os fatores mais importantesa serem levados em consideração. A cada ano, a siderurgia mundial, utiliza cerca de 200 milhões de toneladas de sucata, sendo em sua maioria, fundida em fornos elétrico. Estas sucatas na maior parte das vezes, são entregues via rodoviária ou ferroviária nas siderúrgicas, tendo apenas uma inspeção visual em seu recebimento, antes de sua aceitação. Na maioria dos casos, não se analisa a emissão de radiação. Em 1983, a usina de Auburn, NY /EUA - fundiu uma fonte radioativa, contaminando a planta e neste episódio, gastou 4,4 milhões de dólares na descontaminação. Outro acidente bizarro, ocorreu em 1984, quando os detectores do Centro de Pesquisa Los Alamos, no Novo México/EUA, dispararam - Uma mobília de aço foi construída com aço contaminado por cobalto 60, produzido na usina siderúrgica do Novo México/EUA. Quando acidentalmente carregado nos fornos elétricos, o material radioativo não é destruído, ele é distribuído entre os produtos da produção do aço. O cobalto 60 é absorvido pelo aço, o césio 137 é volátil e coletado nos equipamentos de controle ambiental (filtros). Nos EUA, a maior parte dos acidentes contendo resíduos radioativos, fundidos em usinas siderúrgicas, ocorreram com material radioativo natural, que não é potencialmente tão perigoso quanto fontes radioativas artificiais.
- 201. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 201 11.6 - CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA NUMA USINA SIDERÚRGICA Numa usina integrada, pode-se considerar os seguintes valores: Unidade Metalúrgica kWh/t Sinterização 44 Coqueria 38 Alto Forno 27 Fábrica de Oxigênio 650 Conversor a oxigênio 33 Lingotamento Contínuo 36 Desbastador de blocos 28-44 Laminador de barras 130-165 Desbastador de placas 35-48 Laminador reversível para chapas grossas 110-130 Laminador de Tiras a Quente 120-140 Acabamento de tiras laminadas a quente 30 Na CST; a Geração e Recepção/ Envio de Energia Elétrica, Fracionamento de Ar, Sistema de Geração de Vapor, Sistema de Combustíveis e Sistema de Águas; ficam a cargo do Centro de Utilidades. Suas principais atividades são: a) Geração de energia elétrica: Geradores 1 e 2 (104 MW). Gerador 3 (75 MW). Turbina de Topo (TRT) (16 MW). Geração Diesel 2 x 2 MW + 1 MW (emergência para o Alto Forno); b) Garantir sopro estável para os Altos Fornos 1 e 2; c) Produção de vapor de processo, oxigênio líquido e argônio líquido; d) Produção/ Distribuição de oxigênio, nitrogênio e de ar comprimido; e) Distribuição de combustíveis; f) Captação/Tratamento/Distribuição de águas; g) Recebimento/Envio/Transformação/Distribuição de Energia Elétrica; Produção média horária (dados de 1998) -195 MW, sendo 35 MW enviados para Escelsa e 160 MW consumidos internamente.
- 202. Centro Federal deEducação Tecnológica do Espírito Santo 202 12 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARAUJO, L. A. Manual de Siderurgia – Produção. Editora Arte & Cultura, São Paulo: vol.1. 1997. ARAUJO, L. A. Manual de Siderurgia – Transformação. Editora Arte & Cultura, São Paulo: vol.2. 1997. BARREIRO, José Apraiz. Fabricação de Hierro, Aceros y Fundiciones, Tomo n 03. Combustão Aplicada à Siderurgia, ABM, São Paulo. BISWAS, A.K. PrincipIes of Blast Fumale Ironmaking. Cootha Publishing House, Brisbane, austrália, 528p., 1981 CAMPOS, V.F. Tecnologia de Fabricação do Aço, UFMG, Vol.1, Belo Horizonte, 1983 CARVALHO, J. L. R., et al. Dados Termodinâmicos para Metalurgistas, UFMG, Belo Horizonte-MG, 392p., 1977. CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos, Associação Brasileira de metais (ABM), 5a edição, São Paulo, 1982, 518p. GINZBURG, V.B., Steel-Rolling Technology, Manufacturing Engineering and Materials Processing ; 30, New York, 1989, 791p. HERSKOVIC, J. Elaboração do Aço: Fusão e Refino, São Paulo, SP. ABM MACHADO, Marcelo. L. P. Processo de Redução Direta e Indireta de Minérios de Ferro. CEFET-ES, Vitória-ES: 2002. MACHADO, Marcelo. L. P. Processos Pneumáticos de Fabricação do aço. CEFET-ES, Vitória-ES: 2002. MOURÃO, Marcelo B. Siderurgia para não siderugistas. ABM, São Paulo-SP: 2002. RIZZO, E. Fundamentos de Metalurgia Física Aplicados à Laminação a Quente dos Aços, CEFET-ES, Vitória, 2001. RIZZO, E. Processos e Equipamentos de Laminação, CEFET-ES, Vitória, 2002. ROBERTS, L.W., Hot Rolling of Steel, Manufacturing Engineering and Materials Processing ; 10, New York, 1983, 1033p. STORCH, I.; MARQUES SOBRINHO, V. P. F. Noções Básicas de Siderurgia. CEFET- ES, Vitória-ES: 2000. STORCH, I. Siderurgia I. CEFET-ES, Vitória-ES: 1998. TAMBASCO, M.J .A. Redução do Minério de Ferro em Alto Fomo, São Paulo-SP, ABM, 1980.