Post on 11-Aug-2020
INTRODUÇÃO AOS
PROCESSOS METALÚRGICOS
Prof. Carlos Falcão Jr.
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
Processo de Produção do Aço
• Etapas:
1 - Preparação das matérias-primas (coqueificação e sinterização)
2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
3 - Produção do aço líquido (aciaria)
4 - Solidificação do aço (lingotamento)
5 - Conformação mecânica
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Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
a) Coqueificação
Operação de eliminação das impurezas contidas no carvão mineral.
Antecede a produção do ferro-gusa no alto-forno.
Ocorre na coqueria, local composto por fornos.
O carvão é aquecido a 1300ºC, durante, aproximadamente, 18 horas, na ausência de ar, com liberação de substâncias voláteis.
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Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
a) Coqueificação
O produto resultante é chamado de coque metalúrgico.
O coque é um resíduo poroso, composto basicamente de carbono, com altos ponto de fusão e resistência mecânica.
A partir daí, o coque é encaminhado ao alto-forno.
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Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
Operação realizada com a finalidade de aglutinar os finos do minério de ferro.
Teores elevados de finos obstruem a entrada de ar, diminuindo a velocidade de entrada do ar no alto-forno para ocorrer a combustão.
Após a sinterização, o sínter pode apresentar teores de ferro entre 55 e 60%.
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Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
Resumidamente, as etapas da sinterização são:
b.1) Carregamento da matéria-prima
b.2) Homogeneização: formação, umidificação e nodulização da mistura
b.3) Carregamento da mistura na esteira de sinterização
b.4) Sinterização: transformação da mistura em sínter
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
Resumidamente, as etapas da sinterização são:
b.5) Quebra do “bolo” de sínter
b.6) Peneiramento a quente
b.7) Resfriamento
b.8) Peneiramento a frio
b.9) Transporte do sínter aos silos de alimentação do alto-forno
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Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.1) Carregamento da matéria-prima
Todos os componentes da mistura são carregados e transportados, de forma individual, por correias transportadoras para a unidade de armazenagem.
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Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.1) Carregamento da matéria-prima
A mistura é composta por minério de ferro, resíduos de produção (particulados recuperados do alto-forno e da aciaria), fundentes (cal, calcário, olivina e/ou dolomita), finos de retorno (pequenas partículas de minério recuperadas do próprio processo de sinterização) e combustível sólido (coque siderúrgico).
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.2) Homogeneização
As matérias-primas são introduzidas em um tambor rotatório (“tambor misturador”)
Movimento de rotação
Água é adicionada à mistura por causa da umidade necessária para facilitar a “micropelotização”.
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Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.3) Carregamento da mistura na esteira de sinterização
Sistema de transporte da mistura que termina na esteira de sinterização, onde é disposta uma camada composta por finos de retorno (“bedding” ou “falsa grelha”)
O objetivo do “bedding” é filtrar parte dos gases inerentes ao processo, proteger as grelhas e evitar a aderência da mistura nestas.
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.4) Sinterização – transformação da mistura em sínter
A transformação da mistura em sínter ocorre basicamente pela ação do calor presente no processo.
Inicialmente, esse calor vem de uma fonte externa (fornalha de ignição) proporcionando a ignição espontânea do combustível sólido (coque) contido na mistura.
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.4) Sinterização – transformação da mistura em sínter
Com a ignição do combustível, o calor gerado pela oxidação deste é suficiente para manter o processo de sinterização, sem fonte externa de calor.
Outro pré-requisito, além do calor necessário à ignição, é o suprimento adequado de oxigênio.
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Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.4) Sinterização – transformação da mistura em sínter
A qualidade do sínter, a taxa de sinterização e o consumo de coque podem atingir níveis melhores com uma ignição adequada.
A ignição do combustível inicia-se na camada superior, sinterizando a mistura.
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.4) Sinterização – transformação da mistura em sínter
Devido ao constante fluxo de ar de cima para baixo, as camadas inferiores também são sinterizadas até o final da esteira.
A intensidade de ignição (Q/t) ideal é a que propicia somente a combustão necessária do coque da camada superficial da mistura, contribuindo para uma queima uniforme total.
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.4) Sinterização – transformação da mistura em sínter
A ignição tem por objetivo:
propagar a queima do coque de maneira uniforme, elevando a temperatura da camada superficial, permitindo sua combustão
melhorar a resistência da camada superficial
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.4) Sinterização – transformação da mistura em sínter
A ignição tem por objetivo:
reduzir o consumo de combustível
melhorar a permeabilidade da camada superficial
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Processo de Produção do Aço
1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.5) Quebra do bolo de sínter
O bolo de sínter, que está sobre a esteira, é despejado dentro de um triturador (quebrador de sínter).
Este quebra o bolo de sínter em pedaços menores, que são encaminhados para um moedor ou britador de sínter.
No moedor, os pedaços tornam-se ainda menores, estando prontos para ir ao alto-forno.
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.6) Peneiramento a quente
Os pedaços menores de sínter são transferidos, ainda quentes, até as peneiras vibratórias.
Só passam pelas peneiras os pedaços entre 8 e 16 mm.
Um sistema mecânico força os pedaços maiores contra a peneira, quebrando-os até que passem por ela.
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.7) Resfriamento
O sínter aquecido e peneirado é carregado através de uma calha até um resfriador circular.
Neste, sofre resfriamento até uma temperatura de, aproximadamente, 80ºC.
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.8) Peneiramento a frio
O sínter é transportado por meio de correias até uma nova estação de peneiramento.
Após o peneiramento, são retiradas amostras para ensaio.
Os finos retornam ao início do processo para serem utilizados como camada inferior nas esteiras de sinterização (“bedding”) ou à mistura inicial.
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1 - Preparação das matérias-primas
b) Sinterização
b.9) Transporte do sínter aos silos de alimentação no alto-forno
O sínter é armazenado em novos silos.
Daí, é transportado para o alto-forno, por meio de correias.
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Processo de Produção do Aço
2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
Ferro-gusa é um produto primário no ciclo da produção do aço.
Deriva-se da redução inicial do minério de ferro no alto-forno.
Tal redução resulta da combinação do carbono do coque com o oxigênio do minério (reação exotérmica).
No alto-forno são misturados: minério (na forma de sínter), coque (ou carvão) e fundente.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
Por ter baixo P.F., o fundente corresponde à fase líquida inicial da mistura.
Sua função é tornar fluidas as impurezas, formando uma escória mais fusível.
A queima contínua do coque ou do carvão vegetal, ativada pela insuflação de ar, disponibiliza o calor necessário à fusão do material.
O ferro é gotejado no cadinho (parte inferior).
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
A escória, como é menos densa que o ferro, flutua sobre o material líquido, sendo separada por orifícios presentes em certa altura do cadinho.
A retirada do ferro se dá por aberturas no fundo do cadinho.
O ferro gusa, então, esfria até se tornar sólido.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
O alto-forno opera em regime de contracorrente, ou seja, ocorrem 2 fluxos contínuos em sentidos contrários.
De cima para baixo: desce a carga (minério de ferro, coque e fundentes).
De baixo para cima: o ar pré-aquecido soprado pelas ventaneiras e os gases provenientes da combustão seguem em direção ao topo.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.1 – Operações no alto-forno
Para se obter bons resultados na operação do alto-forno, 3 condições são importantes:
Boa qualidade do coque e do minério de ferro utilizados na carga
Bom controle do fluxo de gás
Procedimentos adequados de operação
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.1 – Operações no alto-forno
* Vazamento
O ferro-gusa e a escória são coletados na região interna do alto-forno, denominada de cadinho, localizada logo abaixo das ventaneiras.
Devido às diferenças de densidade, ferro-gusa (7,2 t/m3) e escória (2,4 t/m3) não se misturam.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.1 – Operações no alto-forno
* Vazamento
Então, a escória flutua sobre o ferro-gusa e os dois produtos formam camadas distintas, sem se misturar.
O ferro-gusa é direcionado para um canal, onde é despejado em uma bica basculante, que funciona como panela de controle e transferência para os carros-torpedo.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.1 – Operações no alto-forno
* Vazamento
A escória é direcionada para um canal. Após, é levada para o granulador de escória ou despejada no solo em local adequado.
Com o processo contínuo de formação e recolhimento de metal líquido no cadinho, novas quantidades de gusa caem sobre o banho já formado (gusa + escória).
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.1 – Operações no alto-forno
* Vazamento
Sendo o gusa mais denso, este desce em forma de gotas, atravessando a camada superior de escória, aumentando assim a quantidade de gusa líquido localizada na parte inferior do banho.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.1 – Operações no alto-forno
* Situações especiais na operação do alto-forno
Após a entrada em operação, um alto-forno funciona de 10 a 15 anos.
Este período é chamado de campanha.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.1 – Operações no alto-forno
* Situações especiais na operação do alto-forno
Campanha é o período de duração de um revestimento refratário, ou seja, o tempo desde o início das atividades do alto-forno até a necessidade de sua parada para a renovação deste revestimento e/ou modernização adicional.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.1 – Operações no alto-forno
* Situações especiais na operação do alto-forno
Pequenas paradas ou interrupções na produção para efeito de manutenção são chamadas de blow-down (desobstruções no equipamento).
A injeção de ar pelas ventaneiras é interrompida. Mesmo assim, as interações no processo continuam a ocorrer e a temperatura diminui com o passar do tempo.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.1 – Operações no alto-forno
* Situações especiais na operação do alto-forno
As retomadas de produção após blow-down são chamadas de start-up.
Quando a operação é reiniciada, recomeça o sopro de ar pré-aquecido pelas ventaneiras e a temperatura do forno volta a aumentar.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.2 – Casa de Corrida
Área destinada às operações de vazamento de ferro-gusa e de escória.
Na casa de corrida, estes são manuseados, transferidos e destinados às etapas posteriores do processo.
A casa de corrida é composta das seguintes partes: PRÓXIMOS SLIDES
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.2 – Casa de Corrida
* Sistema de captação e tratamento de gases
Capta os gases liberados do interior do alto-forno durante o processo de vazamento do metal líquido, tratando-os de forma a tornar o ambiente seguro e recuperando parte desses gases para sua reutilização nos processos.
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Processo de Produção do Aço
2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.2 – Casa de Corrida
* Furo de vazamento ou furo de corrida
É um bloco refratário, instalado na parte inferior do forno, dotado de um furo, que faz a ligação da parte interna do alto-forno com a parte externa da casa de corrida.
Por este furo, são vazados o ferro-gusa e a escória.
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Processo de Produção do Aço
2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.2 – Casa de Corrida
* Calhas de vazamento
Canais destinados à coleta e transferência do ferro-gusa e da escória.
São revestidas de material refratário apropriado para a operação.
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Processo de Produção do Aço
2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.2 – Casa de Corrida
* Máquina perfuratriz
Equipamento dotado de uma broca especial utilizado para abrir o furo de vazamento.
A profundidade e a posição do furo devem ser reproduzidas a cada furo, de forma a evitar um desgaste prematuro do furo de corrida.
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2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno)
2.2 – Casa de Corrida
* Máquina de tamponamento
Equipamento que promove o fechamento do furo de corrida do alto-forno.
Esta máquina injeta massa refratária sob pressão no furo de corrida, visando fechá-lo, interrompendo dessa forma o vazamento do ferro-gusa.
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Processo de Produção do Aço
3 - Produção do aço líquido (aciaria)
Aciaria é a unidade de uma usina siderúrgica, onde existem máquinas e equipamentos voltados para o processo de transformação do ferro-gusa em diferentes tipos de aço.
Dentre estes equipamentos, o principal é o convertedor, que é um tipo de forno, revestido com tijolos refratários. Este transforma o ferro-gusa e a sucata em aço.
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Processo de Produção do Aço
3 - Produção do aço líquido (aciaria)
Na aciaria, ocorrem as etapas de Dessulfuração, Refino Primário e Refino Secundário.
Além do ferro-gusa, outras matérias-primas, como sucata de processo, fundentes e elementos de liga, fazem parte do refino primário.
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.1 - Dessulfuração
Nesta etapa, reduz-se o teor de enxofre (S) presente no ferro-gusa líquido a um nível adequado, até mesmo, igual a 0,002%.
No aço solidificado, o enxofre está presente na forma de inclusões de MnS, que são mais plásticas que o aço.
Estas inclusões atuam como sítios de nucleação de trincas e zonas de fragilidade.
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.1 - Dessulfuração
Teores elevados de enxofre prejudicam algumas propriedades do aço como:
ductilidade
tenacidade
conformabilidade
soldabilidade
resistência à corrosão
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.1 - Dessulfuração
Na dessulfuração, ocorre formação de escória sobre o banho de ferro-gusa líquido.
Essa escória contém, além do enxofre, várias impurezas presentes no banho.
Portanto, sua retirada é de extrema importância para a etapa seguinte (refino primário).
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.1 - Dessulfuração
Existem 2 métodos viáveis economicamente de dessulfuração: adição de metais (Mg e Ca) com elevada afinidade por S e adição de escória - principal constituinte é a cal - (reação metal-escória).
Em ambos os métodos, o enxofre forma compostos através do recebimento de 2 elétrons, que podem ser doados pelo metal ou pelo O2- da escória.
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.2 - Refino primário
Quantidades de sucatas de ferro e aço (20%) e de ferro-gusa líquido (80%) são carregadas em um reator chamado convertedor LD.
A transformação fundamental consiste na diminuição do teor de C, de 4,5% para 0,05%, e no aumento da temperatura do gusa, de 1350ºC para 1650ºC do aço.
C passa a CO, que é eliminado sob forma gasosa.
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.2 - Refino primário
As etapas do processo de refino primário são:
Carregamento da sucata (1 – leve; 2 – pesada; 3 – de ferro-gusa) no convertedor
Carregamento do ferro-gusa líquido
Sopro de oxigênio
Medição de temperatura e da composição química do aço
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.2 - Refino primário
As etapas do processo de refino primário são:
Vazamento do aço líquido na panela com adição de ferro-ligas (composição química desejada) e desoxidantes (remoção do oxigênio da solução)
Vazamento da escória remanescente
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.3 - Refino secundário
O objetivo dessa etapa é promover o ajuste fino da composição química e da temperatura, complementando assim o refino primário.
Suas principais funções são:
Descarburação
Remoção dos gases dissolvidos, principalmente hidrogênio
Adição de ferro-ligas
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.3 - Refino secundário
A descarburação dos aços se dá pela reação do C com o O2 dissolvido no aço, com retirada dos gases CO e CO2.
Quando necessário, sopra-se O2 para aumentar seu teor no aço, acelerando assim a taxa de descarburação.
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3 - Produção do aço líquido (aciaria)
3.3 - Refino secundário
A redução do hidrogênio ocorre pela redução da pressão parcial dos gases na câmara de vácuo.
O ajuste da composição química é realizado através da adição de ferro-ligas.
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4 - Solidificação do aço
O aço líquido é escoado para um distribuidor.
Neste, há vários furos na parte de baixo, por onde o aço líquido escoará.
Abaixo de cada furo, há um molde de seção quadrada que recebe o aço líquido, que vai resfriando ao ar.
As barras formadas no molde são cortadas em tamanho adequado para que seja feita a conformação do aço.
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
Processo de Produção do Aço
4 - Solidificação do aço
• Lingotamento contínuo
O aço líquido é vazado continuamente em ambiente isento de ar.
Portanto, o grau de pureza do aço é maior que no vazamento de blocos.
A rápida solidificação fornece uma estrutura homogênea, com baixo índice de segregações.
A técnica de lingotamento contínuo oferece possibilidades de automação, permitindo uma produção uniforme e controlada.
Processo de Produção do Aço
5 - Conformação Mecânica
• Laminação
As barras vão para um forno de reaquecimento e são aquecidas até 1200ºC, adquirindo o aço coloração rubra.
O aço, então, passa entre rolos (cilindros), sendo conformado mecanicamente.
A distância entre os rolos é inferior à espessura inicial da placa.
Os vários jogos de rolos ou cilindros são os chamados trens de laminação, que comprimem a barra.
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Processo de Produção do Aço
5 - Conformação Mecânica
• Laminação
Chegando ao acabamento final, o aço está em forma de barras cilíndricas com a marca do fabricante gravada.
Apresenta as vantagens de proporcionar alta produtividade e controle dimensional do produto acabado bastante preciso.
Ocorrem etapas de laminação a quente a frio.
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Processo de Produção do Aço
5 - Conformação Mecânica
• Laminação
Na laminação a quente, são produzidas chapas grossas ou tiras.
Após esta etapa, o material é bobinado a quente, decapado e pode ser vendido ou ir para a laminação a frio.
Na laminação a frio, das bobinas de aço decapadas são produzidas folhas e tiras de aço com bom acabamento superficial, com controle das suas dimensões e com maior resistência mecânica, podendo ter espessuras menores.