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04/07/2017
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04/07/2017 11:01 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades
Tecnologia Metalúrgica
Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes
Universidade Federal do Pará
Instituto de Tecnologia
Campus de Belém
Curso de Engenharia Mecânica
04/07/2017 11:01 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades
Capítulo VI
Universidade Federal do Pará
Instituto de Tecnologia
Processos Siderúrgicos
Campus de Belém
Curso de Engenharia Mecânica
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04/07/2017 11:01 TECNOLOGIA METALÚRGICA
6.1 Introdução
PROCESSOS SIDERÚRGICOS: Conjunto de processos
pirometalúrgicos utilizados na extração do ferro e na
fabricação de suas ligas.
SIDERURGIA: Conjunto integrado dos processos
siderúrgicos.
As ligas à base de ferro são produzidas em maior
quantidade do que qualquer outro tipo de metal, e nelas
estão incluídos os aços carbono comuns, os aços-
ferramentas, os aços inoxidáveis e os ferros fundidos.
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6.1 Introdução
O amplo uso das ligas à base de ferro deve-se a três
fatores principais (CALLISTER, 2012):
• Os compostos que contém ferro ainda existem em
grande quantidade no interior da crosta terrestre;
• O ferro metálico e as ligas de aço podem ser
produzidos usando-se técnicas de extração,
beneficiamento, formação de ligas e fabricação
relativamente econômicas;
• As ligas ferrosas são extremamente versáteis, no
sentido de que elas podem ser adaptadas para possuir
uma ampla variedade de propriedades mecânicas e
físicas.
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6.1 Introdução
A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na
Revolução Industrial, com a invenção de fornos
que permitiam não só corrigir as impurezas do
ferro, como adicionar-lhes propriedades como
resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão
etc.
Por causa dessas propriedades e do seu baixo
custo o aço passou a representar cerca de 90% de
todos os metais consumidos pela civilização
industrial.
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6.1 Introdução
A primeira etapa da siderurgia é a obtenção do ferro
bruto e impuro, denominado ferro gusa, por meio da
redução dos minérios de ferro.
O ferro gusa possui cerca de 90% de pureza; é,
portanto, o produto siderúrgico básico, pois atua como
matéria prima na fabricação dos aços e dos ferros
fundidos.
Atualmente, a produção mundial do ferro gusa supera
1 bilhão de toneladas anuais, das quais o Brasil
participa com mais de 32 milhões de toneladas anuais.
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6.1 Introdução
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6.2 Principais minérios de ferro
Os principais minérios de ferro são na forma de óxidos;
entretanto, podem ocorrer em menores quantidades sob
outras formas (carbonatos, por exemplo):
• Magnetita – Essencialmente peróxido de ferro
(Fe3O4); teor nominal de 72,4% de ferro; teor real entre
50 a 70% (presença de ganga); cor cinza escuro;
propriedades magnéticas (facilita operações de
beneficiamento).
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6.2 Principais minérios de ferro
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6.2 Principais minérios de ferro
• Hematita – Mais comum; essencialmente trióxido de
ferro (Fe2O3); teor nominal de 69,5% de ferro; teor real
entre 45 a 68% (presença de ganga); geralmente de cor
avermelhada.
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6.2 Principais minérios de ferro
• Limonita – Essencialmente hematita hidratada
(Fe2O3.H2O); proporção de moléculas da água de
hidratação entre 1 e 3; teor real entre 20 a 50% de
ferro; cor marrom.
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6.2 Principais minérios de ferro
• Siderita – Pouco frequente, ocorre normalmente em
pequenas proporções como componente de mistura da
hematita; carbonato de ferro (FeCO3); teor nominal de
48,3% de ferro; teor real entre 10 e 40%; cor gris com
matizes de amarelo.
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6.2 Principais minérios de ferro
• Pirita – Pouco frequente e sem maior interesse
siderúrgico; ocorre normalmente como componente de
mistura de minérios de outros metais (minério de
cobre, por exemplo); basicamente sulfeto (FeS2);
apresenta amarelo metálico (“ouro dos tolos”).
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6.2 Principais minérios de ferro
BENEFICIAMENTO
• Fragmentação por britagem, moagem e pulverização;
• Classificação por peneiramento;
• Concentração por separação magnética.
PRÉ-EXTRAÇÃO:
• Desidratação a 800 °C, para a limonita eventualmente
presente:
𝐹𝑒2𝑂3. 𝐻2𝑂(𝑠)800°𝐶
𝐹𝑒2𝑂3(𝑠) + 𝐻2𝑂(𝑔)
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6.2 Principais minérios de ferro
• Calcinação a 800 °C, para a siderita eventualmente
presente:
𝐹𝑒𝐶𝑂3(𝑠)800°𝐶
𝐹𝑒𝑂 (𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔)
• Ustulação a 1000 °C, para a pirita eventualmente
presente:
4𝐹𝑒𝑆2 𝑠 + 11𝑂2(𝑔)1000°𝐶
2𝐹𝑒2𝑂3(𝑠) + 8𝑆𝑂2(𝑔)
e onde parte da hematita é oxidada.
3𝐹𝑒2𝑂3 𝑠 + 𝑂2(𝑔)1000°𝐶
2𝐹𝑒3𝑂4(𝑠)
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6.2 Principais minérios de ferro
• Aglomeração por pelotização e sinterização: blocos
porosos de poucos centímetros, com cerca de 40 a 60%
de ferro contido.
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6.3 Redução em alto forno
Processo de extração do ferro mais empregado: redução
do seu minério (óxidos), usando-se o carbono como agente
redutor, em forno especial denominado alto forno.
ALTO FORNO: Sistema destinado a produzir ferro gusa
em estado líquido a uma temperatura em torno de 1500ºC,
com a qualidade e em quantidade necessárias para o bom
andamento dos processos produtivos subsequentes
Consiste essencialmente em um reator tubular vertical, no
qual a redução ocorre de maneira praticamente contínua.
Alimentação: Carga sólida na parte superior e ar pré-
aquecido na parte inferior
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6.3 Redução em alto forno
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6.3 Redução em alto forno
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6.3 Redução em alto forno
Constituição da carga sólida do forno: 3 componentes
básicos:
• Minério de ferro – Geralmente à base de hematita ou mistura
hematita/magnetita; teor médio de 40 a 60% de ferro contido;
forma de pelotas sinterizadas; normalmente acompanhado de
cerca de 10% de ganga (basicamente sílica).
• Fundente – Geralmente à base de calcário (CaCO3); atua no
acerto da escória.
• Coque – Produto obtido pelo processo de “coqueificação”, que
consiste, em princípio, no aquecimento a altas temperaturas, em
câmaras hermeticamente fechadas (exceto para saída de gases),
do carvão mineral. Dupla finalidade: prover o carbono redutor e
o carbono combustível.
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6.3 Redução em alto forno
A redução do minério (óxido de ferro) pelo coque (carbono
redutor) ocorre por meio de reações endotérmicas (∆H > 0).
O calor necessário à essa redução é produzido pela combustão
(∆H < 0) de parte do coque (carbono combustível) com o
oxigênio do ar (pré-aquecido entre 800 e 1000 °C) insuflado na
parte inferior do alto forno.
Constituintes das reações que ocorrem no alto forno:
• Ferro gusa – Ferro em estado líquido contendo cerca de 4,5%
de carbono dissolvido, além de diversas impurezas e elementos
dissolvidos, tais como enxofre, fósforo, silício e manganês.
Deposita-se no fundo do alto forno, de onde pode ser retirado
periodicamente.
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6.3 Redução em alto forno
• Escória – Mistura de óxidos em estado de fusão que, por
sua menor densidade, sobrenada o banho líquido. É
composto de material da ganga e do fundente. Devido a
sua fluidez é retirada de tempos em tempos.
• Poeira – Constituída essencialmente de cinzas resultantes
da queima do coque e de materiais inertes contidos na
ganga. Essa poeira é arrastada pelos gases quentes que
sofrem uma tiragem na parte superior do alto-forno.
• Gases – Evoluem pela parte superior do alto forno a uma
temperatura da ordem de 300ºC; são constituídos
essencialmente de uma mistura CO2 e CO, e
principalmente N2.
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6.3 Redução em alto forno
Composição do ferro gusa: cerca de 4,5 % de carbono; 0,3 a
0,7 % de silício; 0,01 a 0,04 % de enxofre; no máximo 0,1 %
de fósforo; e cerca de 0,15 de manganês.
Composição da escória: 30 a 40 % de SiO2; 5 a 15 % de
Al2O3; 35 a 45 % de CaO; 5 a 15 % de MgO; e 1 a 2 % de
enxofre. Recentemente tem crescido o aproveitamento da
escória de alto forno para a fabricação de cimentos e outros
materiais cerâmicos.
Composição do gás que escapa do alto forno: cerca de 22 %
de CO; 22 % de CO2 (razão CO/CO2 praticamente unitária)
3 % de H2, 50 % de N2 e 3 % de H2O.
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6.3 Redução em alto forno
Características de um alto forno atual:
• Dimensões: diâmetro entre 10 e 14 m; altura entre 60 e 70
m, mas existem menores.
• Capacidade: 13.000 toneladas/dia de ferro gusa.
• Vida útil: média de 15 anos (e crescendo);
• produtividade: alta produtividade;
• Consumo de combustível: relativamente baixo;
• Carga: geralmente da ordem de 7 vezes maior que a
quantidade de ferro gusa produzida.
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6.3 Redução em alto forno
Estatística operacional genérica de um alto forno com alta
produtividade:
• Produção: 1.000 ton/dia;
• Minério: 60 a 40 % de sínter e 40 a 60 % de pelotas;
• Combustível: da ordem de 535 kg, sendo 450 kg de coque
e 85 litros de óleo.
• Capacidade do cadinho: 4.373 m³.
• Sopro de ar: 8.000 m³/min, pressão 4,3 bar e temperatura
de 1.350 ºC, sendo o teor de oxigênio de até 3 %.
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6.3 Redução em alto forno
Reações do alto forno: A redução do minério ocorre ao longo
do alto forno e durante a queda da carga sólida, e é realizada
por meio de diversas reações, cuja viabilidade é dada no
diagrama de Ellingham, e se dão em etapas caracterizadas
pelas seguintes zonas térmicas do alto forno.
A. Trocador químico superior.
B. Zona de reserva química.
C. Trocador químico inferior.
• Em A e B ocorre a redução indireta (zona de preparação) e
em C a redução direta (zona de elaboração).
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6.3 Redução em alto forno
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6.3 Redução em alto forno
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6.3 Redução em alto forno
• Na redução indireta a hematita Fe2O3 é reduzida a
magnetita (Fe3O4) e esta a wustita (FeO).
6𝐹𝑒2𝑂3 𝑠 + 𝐶 𝑠500°𝐶
4𝐹𝑒3𝑂4 𝑠 + 𝐶𝑂2 𝑔
∆𝐺673 = −27 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐶
∆𝐻673 = +15 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐶
𝐹𝑒3𝑂4 𝑠 + 𝐶 𝑠1000°𝐶
3𝐹𝑒𝑂 𝑠 + 𝑂 𝑔
∆𝐺1273 = −17 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒3𝑂4
∆𝐻1273 = +145 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒3𝑂4
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6.3 Redução em alto forno
• Na wustita líquida as gotas que atravessam a parte inferior
do alto forno (“chuva”) são reduzidas (altas temperaturas e
alto potencial redutor).
𝐹𝑒𝑂 𝑠 + 𝐶 𝑠1000°𝐶
𝐹𝑒 𝑠 + 𝐶𝑂 𝑔
∆𝐺1273 = −11 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒𝑂
∆𝐻1273 = +35 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒𝑂
• No fundo do alto forno, na região denominada cadinho,
deposita-se o ferro gusa, contendo elevados teores de C,
Si, Mn, P, S e outros elementos.
• A escória localiza-se sobre o metal líquido, por ser menos
densa.
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6.4 Outros processos de redução
Redução em forno elétrico:
• Países com energia elétrica barata e/ou onde o coque
é oneroso ou inexistente.
• Como não há combustão, o coque é usado apenas
como redutor, bem como não há necessidade de
injeção de ar no sistema.
• A energia térmica necessária ao processos é provida
ao sistema por meio de energia elétrica, através de
eletrodos de grafita, formando um arco elétrico
diretamente na carga do forno.
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6.4 Outros processos de redução
• Grande economia de volume útil do forno.
• Necessita-se de um elevado consumo específico de
energia elétrica (ordem de 2000 kwh/tonelada de ferro
produzido.
• A redução do minério de ferro ocorre essencialmente com
as mesmas reações químicas do processo no alto forno,
com exceção da reação de combustão do coque.
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6.4 Outros processos de redução
• Esquema de um forno
elétrico para a redução do
minério de ferro
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6.5 Fabricação do aço
Aços-carbono: Ligas de ferro e carbono contendo,
geralmente, 0,008% até aproximadamente 2,0% em
peso de carbono, além de impurezas em teores
menores que 0,05%, tais como: enxofre e fósforo.
Aços-liga: contêm, além do ferro e do carbono,
outros elementos de liga (cromo, níquel, manganês
etc.) ou apresentam elementos residuais em teores
acima dos que são considerados normais (mais
elementos de liga são adicionados intencionalmente
ao aço, em concentrações específicas).
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6.5 Fabricação do aço
Pequenas variações no teor de carbono e de elementos de
liga impõem ao aço propriedades específicas para
determinadas aplicações.
O ferro gusa é bastante heterogêneo e impuro, e os
elementos químicos de sua composição, estão acima dos
valores aceitáveis para ser considerado aço (Tabela).
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6.5 Fabricação do aço
Alguns elementos componentes do ferro gusa formam
compostos com o ferro, comprometendo o desempenho do
produto final (aços e ferros fundidos), por exemplo:
• Enxofre. Forma um sulfeto (FeS) de baixo ponto de fusão,
que se precipita e segrega nos contornos de grãos e que se
funde à temperatura de forjamento, provocando o
surgimento da fragilidade a quente no produto.
• Fósforo. Forma um fosfeto (Fe3P) de elevada dureza,
provocando o surgimento da fragilidade a frio, que
prejudica os processos de conformação a frio.
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6.5 Fabricação do aço
Para alcançar o objetivo de diminuir controladamente os
elementos do ferro gusa, em níveis abaixo dos teores
normalmente encontrados nesse material, procede-se à
sua oxidação.
A oxidação consiste na passagem de oxigênio (puro ou do
ar) em meio à massa do ferro gusa no estado líquido,
aproximadamente a 1600 °C.
Entre os processos mais utilizados para produção de
aço em escala industrial tem-se: o processo
Bessemer, o processo Thomas e o processo LD.
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6.5 Fabricação do aço
Caracterização do Processo Bessemer :
• Este processo baseia-se em diminuir o C, o Si e o Mn
do gusa líquido soprando ar através do banho e assim
convertendo-o em aço.
• Por ser um processo ácido não são eliminados o P e S,
por este motivo a presença desses elementos deve ser
mínima.
• O oxigênio do ar que se combina com o C e Si do
gusa gera calor suficiente para manter fundido o
metal e a escória.
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6.5 Fabricação do aço
• O equipamento em que se efetua este processo é
chamado de conversor (Figura), suas características de
construção, compreendem de uma carcaça de chapa de
aços em forma de pera, revestida internamente com
tijolos refratários.
• Normalmente usa-se refratários de sílica (ácido) para
evitar a reação com a escória ácida, resultante do
processo.
• O fundo do conversor é perfurado, para injeção de ar, e
de fácil troca, já que sua vida útil, devido a severidade
no uso é baixa.
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6.5 Fabricação do aço
• Algumas características técnicas do processo e do
conversor:
Carga = sucata (pequena quantidade) + ferro gusa
(líquido);
Tempo de cada corrida = 15 minutos;
Pressão do ar injetado = 1,4 a 1,7 atm;
Capacidade de carga do conversor 25 a 40 toneladas;
Temperatura máxima utilizada no processo = 1.600ºC;
Devido as reações de oxidação dos elementos químicos
serem fortemente exotérmicas (principalmente a do
silício), dispensa-se qualquer tipo de combustível.
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6.5 Fabricação do aço
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6.5 Fabricação do aço
Caracterização do processo Thomas (Bessemer básico):
• Processo semelhante ao Bessemer, porém é indicado
para o ferro gusa rico em fósforo e com baixo teor de
silício, diferindo na composição da carga, pois adiciona-
se cal, para redução do P e S.
• A quantidade de cal utilizada depende do teor de Si e P.
• O conversor é idêntico ao Bessemer, porém o material
refratário para o revestimento interno do conversor é
básico (tijolos de dolomita), devido a escória resultante
do processo ser básica.
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6.5 Fabricação do aço
• As principais reações ocorrem nesta sequência,
oxidação do Si e Mn, oxidação do C, oxidação do
P.
• Sequência de operação:
1. carregamento de sucata (e minério, opcional);
2. carregamento de gusa líquido;
3. injeção de ar;
4. vazamento e desoxidação do aço.
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6.5 Fabricação do aço
Caracterização do processo LD:
• O processo LD tem como princípio injeção de
oxigênio pela parte superior do conversor.
• A injeção do oxigênio é realizada através de uma
lança constituída de três tubos concêntricos de aço,
em que O2 passa pelo tubo central, e os dois tubos
adjacentes servem para refrigeração com água.
• A forma do conversor é similar ao conversor
Bessemer e Thomas (Figura).
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6.5 Fabricação do aço
• Características técnicas do processo e conversor:
− Carga = sucata (pequena quantidade) + ferro gusa
(líquido) + cal;
− Tempo de cada corrida = 40 a 50 minutos;
− Distância da lança a superfície do banho = 0,3 a 1,2
metros;
− Capacidade de carga do conversor = 100 toneladas;
− Temperatura máxima utilizada no processo = 2.500 ºC;
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6.5 Fabricação do aço
− Possuem sistema de tratamento de resíduos gasosos e
sólidos, resultantes do processo.
− O oxigênio injetado tem uma pureza que varia de 90 a
95%.
− As principais reações ocorrem nesta ordem, oxidação
do Si, oxidação do C.
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6.5 Fabricação do aço