Siderurgia - noções gerais.pptx

 Siderurgia:
▫ Minérios metálicos.
▫ Processos de extração e refino.
▫ Processos siderúrgicos.
▫ Nucleação e solidificação dos metais.
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 Siderurgia

 Metalurgia
▫ é o conjunto de técnicas que o homem desenvolveu
com o decorrer do tempo que lhe permitiu extrair e
manipular metais e gerar ligas metálicas.
 Siderurgia
▫ é o ramo da metalurgia que se dedica à fabricação e
tratamento de aços e ferros fundidos.
3
 Siderurgia

4
 Siderurgia
Transformação
das matérias-
primas em ferro
gusa e aço, e
remoção das
impurezas
(escórias), para
posterior
refinamento e
conformação

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 Siderurgia
Fonte de calor: coque – obtido pela purificação do
carvão mineral

 Matérias-
primas
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COQUE
BRITAGEM
SINTER
PELLETS
 Siderurgia

 Alto-forno (Blast-Furnace)
▫ Insumo:
 Minério de Ferro (iron-ore), Coque
(coke), Calcário (limestone) e ar quente;
▫ Metalurgia:
 Reações químicas acontecem, o que
causa aquecimento, redução e fusão;
 Impurezas “boiam” no metal líquido;
▫ Produto:
 Ferro-gusa (pig-iron), que é transferido
em carros-torpedo para os fornos de
refino
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 Siderurgia

 Minério de Ferro
▫ Hematita, Fe2O3;
▫ Magnetita, Fe3O4;
▫ Pirita, FeS2.
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 Minérios Metálicos

 Minério de Alumínio:
▫ Diásporo, Al2O3.H2O;
▫ Boehmita, Al2O3.H2O;
▫ Gibbsita ou Hidrargita, Al2O3.H2O;
 Quando há silicatos: Bauxita
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 Minério de Cobre:
▫ Bornita, Cu5FeS4;
▫ Calcopirita, CuFeS2;
▫ Calcosita, Cu2S;
▫ Cuprita, Cu2O;
▫ Malaquita, Cu2CO3.Cu(OH)2;
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 Minério de Zinco:
▫ Blenda, ZnS;
 Minério de Estanho:
▫ Cassiterita, SnO2;
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 Chumbo – Galena, PbS;
 Manganês – Pirolusita, MnO2;
 Prata – Argentita, Ag2S;
 Bário – Barita, BaSO4;
 Berílio – Berilo, Be3Al2(SiO3)6;
 Mercúrio – Cinábrio, HgS;
 Cobalto– Cobaltita, (Co,Fe)AsS;
 Nióbio e Tântalo – Columbita -
Tantalita, (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O3;
 Cromo – Cromita,
(Fe,Mg)Cr2O4;
 Níquel – Pentlandita,
(Fe,Ni)11S10 – Garnierita
(Ni,Mg)SiO3.H2O;
 Tungstênio – Volframita,
(Fe,Mn)WO4 – Scheelita,
CaWO4;
 Urânio – Calaverita, AuTe2 –
(pirita);
 Titânio – Ilmenita, FeTiO3;
 Vanádio – Patronita, VS4 –
Vanadita, Pb5(VO4)3Cl e
Carnotita, K5(UO2)3(VO4)2.H2O;
 Fluorita – CaF2.
 Outros Minérios:

Ocorrência de minérios
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Minério Brasil Res. [106 t]
(%)
Brasil - 2007 Prod.
[103 t] (%)
Maior ocorr. [%] País prod. [%]
Ferro 33233 (9,77) 354674 (18,67) Ucrânia – 20 China – 31,58
Alumínio 3600 (12,74) 22900 (12,736) Guiné – 25,4 Brasil – 12,74
Cobre 14284 (1,52) 205,7 (1,33) Chile – 38,42 Chile – 35,92
Zinco 4,9 (1,02) 194 (1,85) Austrália – 20,75 China – 26,67
Estanho 0,746 (11,8) 12,596 (3,71) China – 26,91 China – 39,75
Nióbio - /(75) 57,3 (95) Brasil - 75 Brasil - 95

Ocorrência de minérios no Brasil
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Minério Estado
Ferro Minas Gerais e Pará
Cobre Pará, Goiás e Bahia
Zinco Minas Gerais
Estanho Rondônia
Nióbio Minas Gerais e Amazonas

 Beneficiamento
▫ Britagem/Moagem;
 Ajustar o tamanho de partículas de acordo com o processo
metalúrgico;
 A classificação pode ser realizada a seco ou úmido.
▫ Concentração;
 Visa aumentar a concentração por meios magnéticos,
densidade, gravimétrica, eletrostática ou flotação (mais
utilizado)
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 Britamento / moagem:
▫ Sinterização e pelotização
 Sinterização: minério com 0,15 a 8mm;
 Pelotização : minério inferior a 0,15 mm.
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 Reutilização por meio de sucata:
▫ Impurezas nocivas:
 Enxofre:
 Eliminação exige condições de alta basicidade e redutora, o
que é contraditório com a o que se tem no refino (condições
oxidantes);
 Cu e Ni – difícil eliminação por oxidação seletiva;
 Metais de alta pressão de vapor são removidos pela
corrente gasosa (Sb, As, Pb, Ca, e Hg) o que pode gerar
dificuldades com os gases de exaustão.
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 Reutilização por meio de sucata:
▫ Impurezas nocivas:
 Fósforo – necessita de alta basicidade para sua remoção;
 Alguns metais são toleráveis, a menos que haja restrições
na aplicação (Al, Ti, Cr, V, Si, Mn).
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 Minerais com características específicas:
▫ Desoxidantes:
 Fe-Si, Fe-Si-Mn, Al (aço);
▫ Dessulfurantes
 Cao, MgO;
▫ Ligas-mães
 Ferro-liga
 Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-Mo, Fe-Nb e Fe-Ni
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Matérias primas:
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 Minérios;
 Redutores;
 Combustíveis;
 Fundentes;
 Sucatas;
 Ferros-liga;
 Desoxidantes;
 Dessulfurantes;
 Refratários.
 Utilidades:
▫ Água;
▫ Oxigênio;
▫ Energia elétrica
 Ainda referidas como
“aciarias elétricas”
 Sucatas;
 Fundentes;
 Ferros-liga;
 Refratários;
 Utilidades:
▫ As mesmas, apenas com
maior consumo de EE.
 Siderurgia Integradas:  Siderurgia Semi-integradas:

Minérios, aglomerados, combustíveis e redutores
 Ferro:
▫ Hematíticos (Fe2O3), magnetíticos (Fe3O4) e ilmeníticos
(FeTiO3), limoníticos (FexOy hidratados), porém os mais
importantes são os dois primeiros.
▫ No Brasil, os hematíticos são predominantes e possuem muito
pouca ganga, com 70% de Fe, considerados um dos melhores do
mundo.
 Redutor:
▫ O mais utilizado é o coque, formado pelo beneficiamento
(destilação) do carvão metalúrgico, produzindo um material de
alta concentração de carbono.
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 Fluxantes
▫ Também denominados escorificantes e fundentes (não são sinônimos);
▫ Têm a função de aumentar a fluidez e facilita as reações e separação metal-
escória
▫ A principal substância fluxante é a fluorita (CaF2);
 Escorificantes:
▫ Têm a função de reter as impurezas com baixa atividade na escória (carbonato de
cálcio, CaCO3), criolita (para Al);
 Fundentes:
▫ Têm a função de reduzir a temperatura liquidus;
▫ Exemplos na siderurgia são: dolomita (Mg),(calcário, CaMg(CO3)2), CaO, MgO
e SiO2;
▫ Podem ter efeito fluxante;
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Fluxantes, escorificantes e fundentes

 Normamente são:
▫ Óxidos;
▫ Carbonatos;
▫ Fluoretos;
▫ Cloretos.
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 Óxidos e carbonatos são mais frequentemente utilizados
▫ Óxidos de Cálcio, Magnésio, Silício, Bário etc;
▫ Carbonato correspondentes: Calcário, Dolomita,
Magnesita
 Esses ao reagir produzem reações endotérmicas, assim é
necessário ter cuidado no balanço e perfil térmico do
processo.
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 Fluoretos
▫ A fluorita, CaF2, é um eficiente fluxante;
▫ Sua utilização só é limitada por sua característica
redutora, que prejudica o refratário dos fornos.
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Sucatas
 Siderúrgicas integradas usam até 20%;
▫ Porquê? Dispensam operações de purificação, redução
▫ O que não se recicla facilmente fica com preço baixo
▫ Apenas necessitam ser triadas, evitando problemas no
forno e contaminações por metais indesejados
 Semi-integrada é o principal insumo;
▫ Nesse tipo, o consumo de energia é alto!
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Desoxidantes, dessulfurantes, ferros-liga
 Desoxidantes:
▫ Fe-Si, Fe-Si-Mn e Al, por conterem componentes com
alta afinidade por oxigênio;
 Dessulfurantes:
▫ Ca, Mg, Ca-Si, Terras-Raras, CaO, MgO, Ca-Mg
▫ Não podem conter P, pois esse irá permanecer no
material;
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Desoxidantes, dessulfurantes, ferros-liga
 Ferros-Liga
▫ Ligas-mãe que são utilizadas para adição de elemento de liga nos
aços.
 Os microligados não são tão suscetíveis às impurezas;
 Os ligados e de alta-liga apresentam maior suscetibilidade às
impurezas;
 Quando obtidos por redução metalotérmica, Al e Si, não são críticas,
pois são facilmente removidas;
 Quando obtidos por redução carbontérmica, por conter alto teor de
carbono, não permite a utilização com adição final;
 A umidade precisa ser controlada, para evitar a incorporação de H no
aço.
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Impurezas
 As mais nocivas:
▫ S - sua eliminação necessita meios básicos e redutores
▫ Cu, As, Sb, Ni são mais nobres e não oxidam na oxidação seletiva;
 Nocivas:
▫ P - sua eliminação necessita meios básicos e oxidantes;
▫ Zn - reduz o teor de Fe, gera gases, aquece tubulações de exaustão por
re-oxidação, gera mais poeira;
 Menos nocivas:
▫ Al, Ti, Nb, Cr, V, Si, Mn, C - fácil oxidação seletiva e baixa restrição
de composição nos produtos finais.
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Propriedade dos minérios
 A frio:
▫ Resistência a fratura
 Ensaios de tamboreamento, queda e compressão;
 A quente:
▫ Crepitação: degradação por ruptura quando submetido
abruptamente a temperaturas maiores que 300°C, por conta da
umidade;
▫ Inchamento: ocorre quando a hematita é reduzida para magnetita
e wustita (Fe3O4 e FeO), por causa de trincamentos;
 Quando ocorrem entre 900 e 1050°C, inviabilizando o processo;
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 A quente:
▫ Degradação a baixas temperaturas: Ocorre na redução
da hematita em magnesita e wustita, onde a
romboédrica é mais susceptível a esse processo.
▫ Pequenas adições de Cl2 e SO2, normalmente presentes
nos alto-fornos, diminuem esse tipo de degradação;
▫ Resistência a compressão, aglomerados de cura a frio
perdem a resistência com a degradação desses;
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 A quente:
▫ Redutibilidade: é a propriedade do minério de ser mais ou menos
facilmente reduzido, que depende de porosidade, granulometria,
porosidade, mineralogia e trincas.
▫ Redutibilidades típicas: hematita – 49,9%; magnetita – 26,7%;
CaO.Fe2O3 – 40,1%; 2CaO.Fe2O3 – 28,5%; fayalita – 1%;
▫ Reatividade: é a propriedade cinética importante para os carvões
e coques;
 Reatividade CRI é definido como o percentual de massa perdida
durante o ensaio por adição de CO2 nas condições estabelecidas.
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 Processos de obtenção dos Metais
▫ Redução
 Ferro;
 Alumínio,
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 Nesta aula

 Processo de redução:
▫ Normalmente os metais aparecem na natureza como,
óxidos, sulfetos, silicatos e raramente como metais nativos;
▫ Normalmente ocorrem em fornos de alta temperatura;
▫ Pode ocorrer em eletrólises de baixa ou alta temperatura,
e.g. eletrólise ígnea do Al;
▫ Lixiviação com H2SO4, com posterior cementação redutora;
▫ Condições redutoras são obtidas pela inclusão de compostos
com maior afinidade pelo oxigênio, e.g. C, ou redução
eletrolítica
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 Processos de Extração e Refino

 Redução primária do Ferro
 Os minérios de ferro precisam ser quimicamente reduzidos
para que se obtenha o ferro metálico:
 Fe+3 + 3e- → Fe
 Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
 Atualmente há duas técnicas mais importantes para redução do
minério de ferro: redução em alto-forno, produzindo gusa
líquido e a redução direta.
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Produtos
Concentração
Classificação
Britagem
Desmonte
Mineração
Minério
Fragmentar o
corpo mineral
Utilização de
explosivos
Liberar a
Hematita da
ganga
Granular a
partícula em
função do
tamanho
Separar a ganga
da hematita
Sinter
0,15 a 8 mm
Pellet
<0,15 mm
Rejeito (óxidos ,
Si, Al, Ca, Mg,
P etc.)
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 O gusa é o produto imediato da redução do minério de ferro pelo coque ou carvão e
calcário num alto forno. O gusa normalmente contém até 4,5% de carbono, o que
faz com que seja um material quebradiço e sem grande uso direto.
 O ferro gusa é a matéria-prima do aço. É formado por uma liga de ferro-carbono,
obtida em alto forno e fundida em molde padrão de formato piramidal, de
aproximadamente 4,5 kg, e em formato trapezoidal de 6,5 kg. É dividido em 3
categorias de acordo com sua especificação química:
▫ Ferro Gusa de Aciaria: matéria-prima utilizada na produção do aço;
▫ Ferro Gusa de Fundição: matéria-prima para peças fundidas;
▫ Ferro Gusa Nodular: matéria-prima utilizada na produção de peças especiais.
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Composição genérica do gusa
Carbono 3,5 a 4,5%
Silício 0,3 a 2%
Enxofre 0,01 a 0,1%
Fósforo 0,05 a 2%
Manganês 0,5 a 2%

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5mm < Pelotas < 18mm 5mm < Sinter < 50mm 6mm < Minério < 40mm
granulado
Em detalhe
 Ferro primário

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As condições termodinâmicas existentes no interior do reator promovem a incorporação de
algumas impurezas ao gusa líquido e separa outras na fase escória e gás.
COQUE
MINÉRIO
Fe2O3 MnO2 P2O5 K2O SiO2 CaO Al2O3
ESCÓRIA
GUSA
Fe3O4
FeO
FeO
Fe (99%) Si (10%)
SiO2 CaO Al2O3
P2O5
P (95%)
GÁS
K2O
GÁS
C
C (12%)
GÁS
Mn (70%)
MnO
GÁS
Mn3O4
MnO

Redução primária do Ferro
 As principais reações no alto-forno são
 C + 1/2O2 → CO
 2CO + Fe2O3 → 2Fe + CO + CO2
 S + O2 → SO2 (ocorre no topo do alto-forno)
 O gradiente de temperatura vai desde 1800°C na base até 300°C no
topo;
 Gerando pirâmides e trapézios sólidos (lingotes) ou no estado
líquido sendo transportado para a etapa seguinte de refino;
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Redução primária do Ferro
 Sobrenadando no metal fundido encontra-se a escória, que em mistura
com o calcário (CaCO3) remove impurezas de acordo com as reações:
▫ CaCO3 CaO +CO2;
▫ SiO2 + CaO  CaSiO3.
▫ Assim removendo a sílica em forma de silicato na escória.
 O Ferro-gusa é um material de propriedades muito ruins (duro, frágil e
impuro) e ele precisa ser refinado
 O refino visa reduzir Si, P e S, podendo ser realizada a redução direta
ou a fusão redução, onde essa última divide o Alto-forno em duas parte
evitando a região coesiva, que reduz a eficiência do AF.
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