processos industriais - siderurgia

Processsos Industriai s

Profº Marcelo Antunes Gauto

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Curso Técnico em Química

Componente Curricular: Processos Industriais

Primeira Edição - 2005

Siderurgia

MÓDULO III

NOME DO ALUNO : .......................................................................... TURMA: .................... NÚMERO: ...................

Produção e digitação: Profº. Marcelo Antunes Gauto.

Proibida reprodução total ou parcial desta obra sem autorização prévia do autor.

Gravataí, Março de 2006.



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Siderurgia – obtenção do aço

A siderurgia - indústria do ferro – forma com as indústrias do carvão e do cimento a

base da estrutura econômica de uma nação.

Quase tudo, em nossa vida, depende da siderurgia, que fornece a matéria-prima que

movimenta praticamente todas as grandes indústrias: fabricação de ferrame ntas de trabalho,

fabricação de máquinas e ferramentas agrícolas, construção naval, tecelagem, produtos

químicos, material elétrico, material bélico, etc.

Há quem diga que o padrão de vida de um povo ou seu grau de progresso e riqueza

podem ser avaliados pelo consumo de produtos siderúrgicos.

O aço – principal produto da indústria siderúrgica – é uma das ligas metálicas mais

usadas atualmente. Possui inúmeras aplicações e serve de base para a produção de outras

ligas.

Como vimos o ferro nunca é encontrado na natureza, mas somente sob a forma de

minérios, dos quais o mais importante é a hematita. O Brasil possui imensas jazidas de

minérios de ferro de ótima qualidade (em torno de 60% a 70% de pureza).

Na hematita, Fe2O3, o ferro apresenta-se na forma de cátion, Fe3+.

Assim, a obtenção de ferro metálico, Fe(s), consiste, em última análise, em fazer o

cátion ferro receber três elétrons (processo denominado redução).

O esquema a seguir mostra o funcionamento geral de um alto-forno:



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Figura 1 – alto-forno e seu funcionamento

O ponto de fusão da hematita é na ordem de 1560ºC.

Para otimizar o processo de fusão da hematita utiliza-se um fundente, isto é, uma substância

que reage com as impurezas (ganga) do minério, produzindo compostos de fácil separação

(escória) e permitindo que se obtenha uma mistura de ponto de fusão mais baixo.

O calcário, CaCO3, atua como fundente da hematita.

Um das impurezas da hematita é o dióxido de silício, SiO2, que se apresenta na

forma de areia.

O calcário decompõe-se pela ação do calor em óxido de cálcio e gás carbônico. O

óxido de cálcio reage como dióxido de silício produzindo o metassilicato de cálcio, CaSiO3,

(escória):

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....................................................................................................................



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O coque é utilizado para promover a redução da hematita, isto é, transformação do

cátion ferro 3+ em ferro metálico, Fe.

Inicialmente, o coque, em presença de excesso de oxigênio, fornecido pelo ar,

produz gás carbônico:

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....................................................................................................................

O gás carbônico, por sua vez, reage com o coque, que é constantemente adicionado

ao alto- forno, produzindo gás monóxido de carbono:

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....................................................................................................................

O monóxido de carbono formado irá reduzir o ferro da hematita de acordo com as

seguintes etapas:

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....................................................................................................................

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Pela parte superior do alto- forno, recolhe-se um mistura dos seguintes gases: 60-

65% de nitrogênio, 35-40% de monóxido de carbono, gás carbônico, hidrogênio, etc. Essa

mistura gasosa sai à temperatura de 250ºC e seu calor é aproveitado para aquecer o gás

insuflado no alto-forno.

O ferro obtido desta maneira é chamado de ferro gusa e contém um teor de carbono

entre 2% e 5%.

Para produzir o aço, cujo teor de carbono varia de 0,5% e 1,7%, o ferro gusa é

tratado em fornos especiais (forno elétrico, conversor de oxigênio ou forno Siemens-

Martin). Pela descarbonização quase total do ferro gusa obtém-se o ferro doce, com teor de

carbono inferior a 0,5%.

A tabela abaixo traz as principais ligas de ferro em função de teor de carbono:



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Tabela 1 – Teor de C nas ligas de Fe

Ligas de ferro Teor de carbono Ferro-gusa De 2% a 5%

Aço De 0,5% a 1,7% Ferro doce Menos de 0,5%

O ferro doce é usado principalmente na fabricação de eletroímãs. A escória obtida

no alto- forno é usada na fabricação de adubos, cimentos e tijolos.

É interessante observar que nos processos primitivos da s iderurgia empregados até a

Idade Média, e em muitos países até recentemente, os minérios de ferro eram

transformados diretamente em aço ou em ferro doce (não havia a preparação intermediária

do ferro gusa).

Isso ocorria porque a temperatura nos fornos não ultrapassava 1200/1300ºC e,

assim, o ferro não era obtido em fusão, mas apenas com consistência pastosa. Foi no início

do século XIV se modificou devido à obtenção do ferro gusa.

Aumentando-se a altura dos fornos, denominados “altos-fornos”, conseguiu-se

elevar a temperatura da mistura de minério de fero e carvão acima de 1500ºC, de modo a

obter a fusão do ferro que, reagindo com uma pequena quantidade de carbono, produzia o

gusa.

Dessa forma, os processos usuais de siderurgia atualmente são ditos indiretos, por

não se obter diretamente aço a partir do minério, mas sim a gusa, que depois é

descarbonizada, formando então aço ou ferro doce.

Obtenção do aço

Para a produção do aço são utilizados fornos especiais chamados de conversores. A

seguir veremos como ocorre a produção do aço nestes conversores.

• Conversor Bessemer

O primeiro conversor sobre o qual vamos falar é o Bessemer. É constituído por uma

carcaça de chapas de aço, soldadas e rebitadas. Essa carcaça é revestida, internamente, com



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uma grossa camada de refratário. Seu fundo é substituível e é cheio de orifícios por onde

entra o ar sob pressão. A grande sacada deste forno é seu formato (os livros técnicos dizem

que ele se parece com uma pêra bem estilizada) que permite seu basculamento. Quer dize r,

ele é montado sobre eixos que permitem colocá- lo na posição horizontal, para carga do

gusa e descarga do aço, e na posição vertical para a produção do aço.

Esse forno não precisa de combustível. A alta temperatura é alcançada e mantida

devido às reações químicas que acontecem quando o oxigênio do ar injetado entra em

contato com o carbono do gusa líquido. Nesse processo, há a combinação do oxigênio com

o ferro (FeO) que, por sua vez, se combina com o silício, o manganês e o carbono,

eliminando as impurezas sob a forma de escória e gás carbônico. Esse ciclo dura, em

média, 20 minutos e o aço resultante desse processo tem a seguinte composição:

- 0,10% (ou menos) de carbono;

- 0,005% de silício;

- 0,50% de manganês;

- 0,08% de fósforo e 0,25% de enxofre.

Figura 2 – Conversor Bessemer



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• Conversor Thomas

È um conversor bastante semelhante as Bessemer: ele também é basculante,

também processo o ferro gusa e usa ar neste processo. A diferença está no revestimento

refratário desse conversor, que é feito com um material chamado dolomita, que resiste ao

ataque da escória à base de cal e, por isso, esse material permite trabalhar com a gusa de

alto teor de fósforo.

As reações químicas que acontecem dentro desse conversor são as mesmas que

acontecem no conversor Bessemer, ou seja, oxidação das impurezas, combustão do carbono

e oxidação do ferro. Esse processo, porém, tem duas desvantagens: não elimina o enxofre

do gusa e o revestimento interno do forno é atacado pelo silício. Assim o gusa deve ter um

baixo teor de silício.

• Conversor LD (Linz Donawitz)

O conversor LD usa também o princípio de injeção de oxigênio. A diferença é que o

oxigênio puro é soprado sob pressão na superfície do gusa líquido. Essa injeção é feita pela

parte de cima do conversor. Como é isso? Vamos explicar.

Esse tipo de conversor é constituído de uma carcaça cilíndrica de aço resistente ao

calor, revestido internamente por materiais refratários de dolomita ou magnesita. A injeção

de oxigênio é feita por uma lança metálica composta por vários tubos de aço. O oxigênio é

dirigido para a superfície do gusa líquido e essa região é chamada de zona de impacto.



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Na zona de impacto, a

reação de oxidação é muito

intensa e a temperatura chega a

atingir 2500ºC a 3000ºC. Isso

provoca uma grande agitação do

banho, o que acelera a oxidação

no gusa líquido. Nesse conversor

a contaminação do aço por

nitrogênio é muito pequena

porque se usa oxigênio puro. Isso

é um fator importante para os

aços que passarão por processos

de soldagem, por exemplo, pois

esse tipo de contaminação causa

defeitos na solda.

O uso de conversores tem

uma série de vantagens: alta

capacidade de produção,

dimensões relativamente

pequenas, simplicidade de operação e o fato de as altas temperaturas não serem geradas

pela queima de combustível, mas pelo calor que desprende no processo de oxidação dos

elementos que constituem a carga do gusa líquido.

Por outro lado, as desvantagens são: impossibilidade de trabalhar com sucata, perda

de metal por queima, dificuldade de controlar o processo com respeito à quantidade de

carbono, presença de considerável quantidade de óxido de ferro e gases, que devem ser

removidos durante o vazamento.

• Fornos elétricos

Os fornos elétricos são basicamente de dois tipos: a arco elétrico e de indução. O

forno a arco elétrico é constituído de uma carcaça de aço feita de chapas grossas soldadas

Figura 3 – Conversor LD



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ou rebitadas, de modo a formar um recipiente cilíndrico com o fundo abaulado. Essa

carcaça é revestida na parte inferior (chamada soleira) por materiais refratários de na tureza

básica (dolomita ou magnesita) ou ácida (sílica), dependendo da carga que o forno vai

processar. O restante do forno é revestido com tijolos refratários silicosos. Os eletrodos

responsáveis, juntamente com a carga metálica, pela formação do arco elétrico estão

colocados na abóbada (parte superior) do forno.

A carga de um forno a arco é constituída, basicamente, de sucata e fundente. Nos

fornos de revestimento ácido a carga deve ter mínimas quantidades de fósforo e enxofre.

Nos fornos de revestimento básico, a carga deve ter quantidades bem pequenas de silício.

Durante o processo algumas reações químicas acontecem: a oxidação, na qual

oxidam-se as impurezas e o carbono, a desoxidação, ou retirada dos óxidos com a ajuda de

agentes desoxidantes, e a dessulfuração, quando o enxofre pe retirado. É um processo que

permite o controle preciso das quantidades de carbono presentes no aço.

Outro forno que usa a energia elétrica para a produção do aço é o forno de indução,

que também processa sucata. O conjunto que compõe esse forno é formado de um gerador

com motor de acionamento, uma bateria de condensadores e uma câmara de aquecimento.

Essa câmara é basculante e tem, na parte externa, a bobina de indução. O cadinho é feito de

massa refratária socada dentro dessa câmara, onde a sucata se funde por meio de calor

produzido dentro da própria carga.

Para a produção de aço, liga-se o forno, e os pedaços de sucata que devem ser de

boa qualidade vão sendo colocados dentro do forno, à medida que a carga vais sendo

fundida. Depois que a fusão se completa e que a temperatura desejada é atingida, adiciona-

se cálcio, silício ou alumínio, que são elementos desoxidantes e têm a função de retirar os

óxidos do metal.



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Figura 4 – forno de arco elétrico

Figura 5 – forno de indução

A vantagem da produção de aço nos fornos elétricos são: maior flexibilidade de

operação, temperaturas mais altas; controle mais rigoroso da composição do aço; melhor



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aproveitamento térmico; ausência de problemas de combustão, por não existir chama

oxidante; e processamento da sucata.

Por outro lado, as principais desvantagens são o custo operacional (custo da energia

elétrica) e a baixa capacidade de produção dos fornos.

O aço produzido nos fornos elétricos pode ser transformado em chapas, tarugos,

perfis laminados e peças fundidas.

Para ajudar a organizar todas as informações desta aula, preparamos um quadro que

resume o que você leu até agora:

Tabela 2 – Principais ligas e suas aplicações.

Tipo de forno Combustível Tipo de carga Capacidade de carga

Vantagens Desvantagens

Conversor Bessemer

Injeção de ar comprimido

Gusa líquido 10 a 40ton. Ciclo curto de processamento (10 a 20 min.)

Impossibilidade de controle do teor de carbono. Elevado teor de oxide de ferro e nitrogênio no aço. Gera poeira composta por óxido de ferro, gases e escória.

Conversor Thomas

Injeção de ar comprimido

Gusa líquido, fundente.

Em torno de 50ton.

Alta capacidade de produção. Permite usar gusa com alto teor de fósforo.

A gusa deve ter baixo teor de silício e enxofre. Elevado teor de óxido de ferro e nitrogênio no aço. Gera poeira composta por óxido de ferro, gases e escória.

Conversor LD Injeção de oxigênio puro sob alta pressão.

Gusa líquido, fundente.

100ton. Mínima contaminação por nitrogênio.

Gera poeira composta por óxido de ferro, gases e escória.

Forno a arco elétrico

Calor gerado pelo arco elétrico

Sucata de aço + gusa, minério de ferro, fundente.

40 a 70ton. Temperaturas mais altas. Rigoroso controle da composição química. Bom aproveitamento térmico.

Pequena capacidade do forno e alto custo operacional.

Forno de indução

Calor gerado por corrente induzida dentro da própria carga.

Sucata de aço. Em torno de 8ton.

Fusão rápida. Exclusão de gases. Alta eficiência.

Pequena capacidade dos fornos. Custo operacional.



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O modo de se fabricar o aço depende da matéria-prima que se tem à disposição:

gusa líquido pede fornos com injeção de ar; sucata pede fornos elétricos. O tipo de aço que

se obtém, após a fabricação, também depende desses processos: fornos a ar produzem aços-

carbono comuns; fornos elétricos produzem aço de melhor qualidade, cuja composição

química pode ser mais rigorosamente controlada.

• Processo Siemens -Martin

São fornos com capacidade de 600 toneladas, ainda responsáveis pela maior

porcentagem de fabricação de aço (75% no mundo, pois admite até 70% de sucata de aço

na carga).

Esse forno possui um sistema regenerativo que recupera calor dos gases de

combustão. Ambos, gás e ar são pré-aquecidos pelos regeneradores que se encontram aos

pares em cada extremo do forno. O revestimento será de refratário básico ou ácido

conforme a carga do forno. O processo de oxidação das impurezas ocorre como no

conversor Bessemer, mas modernamente ativam-se as reações com a injeção de oxigênio

puro como ocorre no LD. O tempo entre vazamento ou corridas é de 6 a 12 horas.

O processo Siemens-Martin é utilizado para obtenção de aços com alto teor de

carbono usado para eixos, molas, brocas e aços com Ni, Cr e W, usados na aeronáutica e

automóveis.

Figura 6 – Representação do forno Siemens-Martin



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Tabela 3 – Composição e aplicação das principais ligas

Nome da liga Composição % Propriedades principais Aplicações principais Aço Fe ˜ 98,5%

C: 0,5 a 1,7% Si, S e P: traços

Cor branco acinzentada, possui ponto de fusão próximo de 1300ºC, densidade igual a 7,7g/cm3

Empregado nas mais diversas ligas destinadas a diferentes aplicações.

Aço inox Aço: 74% Cr: 18% Ni: 8%

É resistente a oxidação, possui boa aparência.

Talheres, utensílios de cozinha, decoração.

Invar Aço: 64% Ni: 36%

Baixo coeficiente de dilatação.

Pêndulos, cronômetros, réguas graduadas, tubos de televisor.

Platinite Aço: 54% Ni: 46%

Baixo coeficiente de dilatação.

Compõe a parte metálica soldada ao vidro nas lâmpadas incandescente.

Alnico Fe: 63% Ni: 20% Al: 12% Co: 5%

Permeabilidade magnética.

Ímãs permanentes.

Ligas pirofóricas Fe: 35% Ce: 35% La, Nd e Pr: 30%

Inflamáveis. Utilizadas em acendedores e isqueiros.

Magnálio Al: 90% Mg: 10%

A mais leve das ligas, densidade de 2,5g/cm3.

Utilizada na fabricação de aviões e automóveis.

Duralumínio Al: 95,5% Cu: 3% Mn: 1% Mg: 0,5%

Baixa densidade. Usado em peças de aviões e automóveis.

Liga Wood Bi: 50% Pb: 27% Sn: 13% Cd: 10%

Baixa fusibilidade, ponto de fusão em torno de 68ºC.

Usado em fusíveis para instalações elétricas.

Liga de chumbo e antimônio.

Pb: 82% Sb: 15% Sn: 3%

Elevada dureza. Utilizada em tipos de imprensa e máquinas de escrever.

Solda elétrica Pb: 67% Sn: 33%

Baixo ponto de fusão. Solda de contatos elétricos.

Níquel-Cromo Ni: 60% Cr: 40%

Ponto de fusão elevado, baixa condutibilidade elétrica.

Fios de resistência elétrica.

Ligas monetárias Cu: 75% Ni: 25%

Elevada dureza e inoxidável.

Utilizadas na fabricação de moedas e na niquelação de objetos por galvanoplastia.

Ouro de 18 quilates Au: 75% Ag: 12,5% Cu: 12,5%

Dureza, inércia química, aparência a brilho excelente.

Joalheria, próteses, circuitos eletrônicos de alto desempenho.

Bronze comum Cu: 90% Sn: 10%

Facilidade de ser moldado.

Engrenagens, artesanato e diversos objetos de decoração.

Latão amarelo Cu: 67% Zn: 33%

Flexibilidade, boa aparência.

Tubos, torneiras, decorações.

Amálgama de zinco Hg: 50% Zn: 50%

Sofre oxidação somente quando se encontra em circuito elétrico fechado.

Pilhas elétricas.



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& Para pesquisar:

1) O que são ligas metálicas?

2) O que são ligas homogêneas e heterogêneas?

Exercícios sobre siderurgia :-)

1. Complete as lacunas:

a) A matéria-prima básica para produção do ferro-gusa é o ......................................... .

b) O coque é produzido a partir de ..................................

c) Uma das finalidades da utilização do minério de manganês no alto- forno é .................

........................................................................

2. Assinale a alternativa que completa corretamente as afirmações, a seguir:

a) O grande problema tecnológico que envolveu a produção de gusa é:

( ) a presença de impurezas como o silício, o manganês, o fósforo e o enxofre.

( ) a dificuldade de eliminar o silício, o manganês, o fósforo e o enxofre.

( ) a obtenção de altas temperaturas que favoreçam a absorção de carbono.

( ) a utilização de combustíveis que contaminam o produto.

b) Para aumentar a temperatura de combustão usa-se:

( ) oxigênio aquecido a uma temperatura de 1.000ºC, soprado sob pressão.

( ) carvão vegetal.

( ) coque obtido do carvão vegetal

( ) calcário como fundente.

c) O alto-forno é dividido em três partes principais:

( ) zona de pré-aquecimento, cadinho e rampa.

( ) cadinho, rampa e ventaneiras.

( ) zona de pré-aquecimento, zona de fusão e cuba.

( ) cadinho, rampa e cuba.



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d) A carga, formada por minério de ferro, carvão e/ ou coque e fundentes é colocada:

( )na cuba.

( )no cadinho.

( )na rampa.

( ) nas ventaneiras.

e) À medida que o minério, o agente redutor e os fundentes descem em contra-corrente em

relação aos gases, ocorre:

( ) a oxidação dos gases

( ) o aumento dos óxidos de ferro.

( ) a descarbonetação do ferro

( ) a redução do óxido de ferro

f) o caminho que o gusa com teores entre 3,0% e 4,5% de carbono pode seguir, ao sair do

alto-forno é:

( )para a laminação para ser trefilado

( ) para a fundição, para ser usinado

( )para a fundição e produção de peças de ferro fundido.

( )para a estamparia, para ser conformado

3. Associe o nome do conversor ao seu conjunto de características:

a) Thomas b) Bessemar c) LD

( ) Seu formato permite colocá-lo na posição horizontal, para a carga do gusa e descarga do aço. Não utiliza combustível e seu revestimento refratário é de sílica. ( ) Na zona de impacto do oxigênio com o gusa, a temperatura chega a atingir entre 2.500ºC e 3.000ºC. ( ) A injeção de oxigênio sob pressão, no gusa líquido, é feita pela parte de cima do conversor, por meio de uma lança metálica. A contaminação do aço, por nitrogênio, é muito pequena. ( ) O reves timento refratário é feito com material chamado dolomita que resiste ao ataque da escória à base de cal e ainda permite trabalhar com gusa com alto teor de fósforo.



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4. Escreva V para as frases verdadeiras e F para as falsas. Após, reescreva as falsas,

corrigindo-as:

a) ( ) O gusa é a única matéria-prima utilizada na fabricação do aço.

b) ( ) É nos fornos elétricos que ocorre a transformação da sucata em ferro.

c) ( ) Nos fornos elétricos, a fusão do gusa e da sucata ocorre sob condições controladas

de temperatura e oxidação do metal líquido.

d) O processo de transformação da sucata em aço permite, também, a adição de elementos

de liga que melhoram as propriedades do aço.

5. Responda às seguintes perguntas:

a) Por que o ferro-gusa é duro e quebradiço?

b) Como o gusa se transforma em aço?

c) Qual foi a idéia que permitiu a oxidação e a produção do aço em grandes quantidades?

d) Como são chamados os equipamentos que injetam ar ou oxigênio diretamente no gusa

líquido?

e) Cite duas vantagens dos conversores.

f) Cite as desvantagens dos conversores.

g) Qual a diferença entre forno a arco elétrico e o forno de indução?

h) Na sua opinião, qual a maior vantagem e a maior desvantagem dos fornos elétricos? Por

quê?

i) Qual a diferença entre usinas integradas e semi- integradas?

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