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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



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.




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.




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%.




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




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




b) Sinterização


Todos os componentes da mistura são carregados e transportados, de forma individual, por correias transportadoras para a unidade de armazenagem.




b) Sinterização


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).




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”.




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.




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.




b) Sinterização


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.




b) Sinterização


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.




b) Sinterização


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.




b) Sinterização


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




b) Sinterização


A ignição tem por objetivo:

reduzir o consumo de combustível

melhorar a permeabilidade da camada superficial




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.




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.




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.




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.




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.




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.




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).




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.




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.




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





* 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.





* 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.





* 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).





* 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.





* 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.






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.






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.






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.




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





* 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.





* 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.





* Calhas de vazamento

Canais destinados à coleta e transferência do ferro-gusa e da escória.

São revestidas de material refratário apropriado para a operação.





* 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.





* 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.




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.




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.




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.





Teores elevados de enxofre prejudicam algumas propriedades do aço como:

ductilidade

tenacidade

conformabilidade

soldabilidade

resistência à corrosão





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).





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.




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.





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





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




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





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.





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.



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.



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.


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.




• 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.




• 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.

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