Apostila Materiais 2

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Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 1 – PROCESSOS EXTRATIVOS E SIDERÚRGICOS 1.1 – Introdução A crosta terrestre possui aproximadamente 20km de espessura e contém cerca de 50% em massa de oxigénio e cerca de 25% de silício, na forma de sílica e silicatos. Dos 25% restantes, cerca de 16% são constituídos de elementos metálicos, sendo o alumínio e o ferro os mais abundantes, conforme pode ser visualizado na Figura 1.1. A maior parte dos elementos metálicos encontra-se na natureza sob a forma de minérios, combinados ao oxigénio como óxidos ou ao enxofre como sulfetos, conforme observado na Tabela 1.1. A grande abundância e facilidade de redução do minério de ferro aliadas à versatilidade das ligas ferrosas tornaram os aços e ferros fundidos os principais objetos de estudo dos metalurgistas ao longo da história. Existem registros históricos datando de mais de 4000 anos a.C. que confirmam a utilização do ferro para a confecção de artefatos. Em relação ao alumínio, apesar de mais abundante, a sua história é mais recente, tendo início por volta de meados do século XIX, uma vez que sua obtenção depende essencialmente de processos de redução que se utilizam largamente de eletricidade. A primeira peça fundida de alumínio que se tem notícia é datada de 1856, entretanto, o grande impulso dado à produção de ligas de alumínio para aplicações estruturais se deu somente após a 1a Guerra Mundial. Figura 1.1 – Proporção dos metais na crosta terrestre (% em peso) As maiores jazidas de minérios de ferro do mundo encontram-se na região abrangida pela ex-União Soviética, seguida pelo Brasil e índia. Em particular, o Brasil possui as maiores 1 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 jazidas e a melhor qualidade de minério de ferro do hemisfério ocidental, na forma de hematita. As maiores jazidas brasileiras encontram-se distribuídas, principalmente, no estado de Minas Gerais e na Serra dos Carajás, no Pará, a qual é considerada a maior província de minério de ferro do planeta. Destaca-se neste cenáno, a Companhia Vale do Rio Doce como sendo a maior produtora mundial de minério de ferro. Quanto ao alumínio, o Brasil possui, até o momento, a terceira maior reserva de bauxita do mundo, sendo que o Pará detém cerca de 75% das reservas nacionais. Vale ressaltar ainda que o Brasil apresenta as maiores reservas mundiais conhecidas de ritânio c nióbio, localizadas, respectivamente, em Goiás e na região de Araxá, em Minas Gerais. Tabela 1.1 – Formas minerais de alguns metais Apesar de apresentar uma quantidade invejável de reservas e destacada produção de minérios, o Brasil, ao lado de outros países em desenvolvimento, não consegue agregar valores às suas matérias-primas na mesma proporção que os países ricos. Como exemplo, pode-se citar o Japão que apesar de não possuir reservas de minério de ferro produz mais de 100 milhões de toneladas de aço por ano, ou seja, cerca de três vezes a produção brasileira. A situação torna-se ainda mais complexa considerando-se um cenário de economia mundial globalizada, onde açôes individuais de países ricos possuem forte impacto no mercado mundial, especialmente sobre países 2 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 em desenvolvimento, como o Brasil. Destaca-se, por exemplo, a forte atitude protecionista dos Estados Unidos em relação ao aço brasileiro, o qual é sobretaxado. Isto dificulta a entrada do produto nacional no gigantesco mercado consumidor norte-americano, obrigando as siderúrgicas brasileiras a reduzir o preço de venda e buscar espaço em outros mercados para comercializar seus produtos excedentes. A princípio, este protecionismo possui um aspecto negativo, mas tal situação levará à inevitável necessidade de se incorporar tecnologia à matéria-prima, produzindo produtos mais baratos e de maior qualidade e, portanto, mais competitivos. Entretanto, a incorporação de tecnologia não deve se restringir somente ao aprimoramento de processos e produtos extrativos básicos. A transformação da matéria-prima obtida em componentes ou equipamentos de alto valor específico é fundamental para fortalecer os setores secundário e terciário da economia. Assim, quando o homem conseguiu a quantidade necessária de calor para fundir o minério de ferro, encerrou a Idade do Bronze e deu início à Idade do Ferro. O fator custo teve importante papel nesta mudança. 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. Basicamente, o aço é uma liga de ferro e carbono. O ferro é encontrado em toda crosta terrestre, fortemente associado ao oxigênio e à sílica. O minério de ferro é um óxido de ferro, misturado com areia fina. O carbono é também relativamente abundante na natureza e pode ser encontrado sob diversas formas. Na siderurgia, usa-se carvão mineral, e em alguns casos, o carvão vegetal. O carvão exerce duplo papel na fabricação do aço. Como combustível, permite alcançar altas temperaturas (cerca de 1.500o Celsius) necessárias à fusão do minério. Como redutor, associase ao oxigênio que se desprende do minério com a alta temperatura, deixando livre o ferro. O processo de remoção do oxigênio do ferro para ligar-se ao carbono chama-se redução e ocorre dentro de um equipamento chamado alto forno. Antes de serem levados ao alto forno, o minério e o carvão são previamente preparados para melhoria do rendimento e economia do processo. O minério é transformado em pelotas e o carvão é destilado, para obtenção do coque, dele se obtendo ainda subprodutos carboquímicos. No processo de redução, o ferro se liquefaz e é chamado de ferro gusa ou ferro de primeira fusão. Impurezas como calcário, sílica etc. formam a escória, que é matéria-prima para a fabricação de cimento. 3 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 A etapa seguinte do processo é o refino. O ferro gusa é levado para a aciaria, ainda em estado líquido, para ser transformado em aço, mediante queima de impurezas e adições. O refino do aço se faz em fornos a oxigênio ou elétricos. Finalmente, a terceira fase clássica do processo de fabricação do aço é a laminação. O aço, em processo de solidificação, é deformado mecanicamente e transformado em produtos siderúrgicos utilizados pela indústria de transformação, como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões, arames, perfilados, barras etc. Com a evolução da tecnologia, as fases de redução, refino e laminação estão sendo reduzidas no tempo, assegurando maior velocidade na produção. As usinas de aço do mundo inteiro segundo o seu processo produtivo, classificam-se: • Integradas - que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação, Figura 1.2 • Semi-integradas - que operam duas fases: refino e laminação. Estas usinas partem de e 1.3; ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridas de terceiros para transformá-los em aço em aciarias elétricas e sua posterior laminação. Existem ainda unidades produtoras chamadas de não integradas, que operam apenas uma fase do processo: redução ou laminação. No primeiro caso estão os produtores de ferro gusa, os chamados guseiros, que têm como característica comum o emprego de carvão vegetal em altos fornos para redução do minério. No segundo, estão os relaminadores, geralmente de placas e tarugos, adquiridos de usinas integradas ou semi-integradas e os que relaminam material sucatado. No mercado produtor operam ainda unidades de pequeno porte que se dedicam exclusivamente a produzir aço para fundições. Os itens à seguir discutirão com maior detalhe os processos para produção de aços e ferros liga, desde a matéria-prima até o produto final. 4 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 Figura 1.2 – Usina Integrada a Coque, fluxograma simplificado Figura 1.3 – Usina Integrada Redução Direta – fluxograma simplificado 1.2 – Extrativismo 5 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 Para a produção de aços e ferros liga parte-se, basicamente, do minério de ferro, carvão e cal. O minério, para se tornar uma matéria-prima adequada para a extração do elemento desejado, precisa sofrer um processo de beneficiamento que consiste em adequar sua morfologia e tamanho e separar impurezas e/ou minérios secundários para aumentar a eficiência energética do processo de redução. Então, grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque. O carvão é processado na coqueria e transforma-se em coque. Um processo simplificado da produção de minério de ferro se encontra na Figura 1.4. Figura 1.4 – Aspectos gerais da produção de minério de ferro 1.2.1 – BENEFICIAMENTO DO MINÉRIO Além de prepara o minério para o processo de redução, o beneficiamento tem o intuito de reduzir os custos de transporte para as instalações de redução e refino de minérios, especialmente para aquelas situadas em países não-produtores, tal como o Japão no caso do minério de ferro. Basicamente, o beneficiamento pode ser dividido da seguinte forma: cominuição, classificação e enriquecimento do minério, como ilustra a Figura a 1.5. 6 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 Figura 1.5 – Princípio geral da produção do minério de ferro, processo de beneficiamento Em alguns casos, dependendo do tipo de minério, operações chamadas de pré-extrativas, tais como secagem, calcinação e pelotização, podem ser necessárias antes do processo de redução. A Figura 1.6 mostra um fluxograma do beneficiamento de minérios. Poucas usinas de beneficiamento possuem todas as operações instaladas, mas todas se utilizam de pelo menos algumas etapas no processo de separação do minério primário do minério bruto. Figura 1.6 Fluxograma do beneficiamento de minérios metálicos. Cominuição: a etapa de cominuição consiste essencialmente em fragmentar o minério de 7 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 modo a deixá-lo com tamanho e forma ideais que facilitem seu uso. Esta fase do beneficiamento pode ser sub-dividida em uma sequência de quatro operações: britagem primária, britagem secundária, moagem ou britagem terciária e pulverização. A britagem primária é a primeira etapa de fragmentação do minério, utilizando-se de britadores de mandíbula ou giratórios que propiciam uma redução em tamanho de cerca de 3:1. A seguir, em britadores cónicos e de rolos, ocorre a britagem secundária. A moagem, ou britagem terciária, é realizada em moinhos de martelos ou de barras, Figura l.7a. Na verdade, o número de operações de britagem necessárias para reduzir o minério a um tamanho adequado depende do tipo de minério. Minérios duros, tais como de ouro, ferro, molibdênio e alguns tipos de cobre necessitam até a britagem terciária. Por outro lado, minérios macios, tais como bauxita, de titânio, zircônia e alguns de urânio requerem pouca ou nenhuma britagem. A redução de tamanho de partículas pode ser continuada, se houver interesse, através do processo conhecido por pulverização, que se utiliza de moinhos de bóias, Figura l.7b. Dependendo do tipo de minério, a pulverização pode ocorrer a seco ou a úmido, pela formação de uma pasta aquosa de minério. Figura 1.7 – Representação esquemática dos moinhos de: (a) barras e (b) bolas. Classificação: o processo de cominuição resulta em uma distribuição de partículas que devem ser separadas ou classificadas de acordo com o seu tamanho. Para partículas acima de l mm de diâmetro, utilizam-se peneiras rotativas, Figura 1.8. Abaixo deste tamanho, utilizam-se, normalmente, processos de sedimentação que fazem uso de ciclones de ar ou de água como meio fluido para que ocorra a decantação. Figura 1.8 – Representação esquemática de peneira rotativa. Enriquecimento: após as etapas de fragmentação e de separação por tamanhos, é 8 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 necessário enriquecer o minério, ou seja, aumentar a proporção da parte que interessa para o processo de extração do metal, eliminando-se eventuais impurezas, chamadas de gangas, e separando o minério secundário. Esta etapa de concentração pode ocorrer por intermédio de processos físicos ou químicos, normalmente a úmido, para evitar a emissão de pós. Dentre eles podemos citar as operações de flotação, separação gravitacional, espessamento e filtragem. Entretanto, para alguns minérios de ferro e de titânio, esta etapa deve ocorrer a seco por meio de métodos magnéticos (no caso da magnetita), eletrostáticos ou por limpeza gasosa. Secagem e Calcinação: os processos de secagem e calcinação consistem no aquecimento do minério concentrado, normalmente em fornos rotativos, com a finalidade de eliminar substâncias que podem afetar a eficiência e uniformidade do processo de redução. A secagem é aplicada em casos de minérios contendo grandes quantidades de umidade. A calcinação tem o intuito de remover CO2 e enxofre, através da formação de SO2. O processo de remoção de enxofre, citado acima, também é conhecido por ustulação. Tabela 1.2 – Propriedade dos aglomerados Sínter Pelotas 57 a 61% de ferro 64 a 67% de ferro Aproveitamento dos finos de mineração abaixo de 8 mm até 0,15 mm Aproveitamento dos finos e de resíduos siderúrgicos (pó de de minração abaixo de 0,5 mm coletor, carepa, etc...) Resistência mecânica média e possível à degradação durante Elevada resistência e baixa o degradação no transporte transporte Tamanho do sínter: 0 a 50 mm, em formato irregular Tamanho da pelota: 10 a 12 mm, de formato esférico Gera 7 a 10% de finos de retorno no transporte da sinterização ao alto-forno Redutibilidade alta Gera de 5 a 10% de finos de retorno Redutibilidade alta Aglomeração: os processos já citados, intencionalmente ou não, resultam na geração de 9 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 pós. No caso particular do minério de ferro, este pó não pode ser introduzido diretamente no alto-forno, sob o risco de obstruir o fluxo de ar ascendente entre as partículas do minério, afetando a reação de redução. Normalmente, este problema é solucionado através do processo de aglomeração, o qual pode ser dividido em dois tipos básicos: sinterização e pelotização. Na sinterização, o pó é misturado com uma pequena parcela de coque que é posteriormente queimado sob um fluxo de ar controlado. O calor gerado sinteriza, isto é, une as partículas de pó, formando uma estrutura porosa e de morfologia mais adequada ao manuseio. No processo de pelotização, um aglomerante e água são adicionados ao pó de minério, para a formação de esferas aglomeradas de tamanho adequado para o processo de redução. Em seguida, pó de carvão é adicionado ao aglomerado, o qual é posteriormente queimado para aumentar a rigidez da pelota. A Tabela 1.2 a seguir ilustra as propriedades dos aglomerados. 1.2.2 – EXTRAÇÃO E REFINO DOS METAIS O processo de extração do metal, a partir do minério beneficiado, consiste, essencialmente, em uma reação de redução, onde o elemento metálico que se encontra na forma de um íon positivo, ou cátion, "ganha" elétrons e se neutraliza, formando o metal propriamente dito. Esta reação de redução pode ser representada da seguinte forma: +x 0 M + xe − → M A forma como o cátion metálico recebe os elétrons no processo de redução pode ocorrer de duas maneiras diferentes: na ausência ou na presença de corrente elétrica. Na primeira, o processo de redução ocorre por meio de reaçòes químicas de simples troca, em meio aquoso, à temperatura ambiente ou a altas temperaturas. No segundo caso, a corrente elétrica é conduzida através de uma solução aquosa do minério (processo eletrolítico aquoso) ou através de um eletrólito iônico fundido, como um sal, no qual o minério foi dissolvido (processo eletrolítico ígneo). A Figura 1.9 mostra um fluxograma dos processos de redução. Será dado ênfase ao processo pirometalúrgico. 10 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 Figura 1.9 – Fluxograma dos processos de redução para a extração de metais Os processos de redução de minério que ocorrem por meio de reações químicas a altas temperaturas também são chamados de processos pirometalúrgicos. São reações de troca, porém a alta temperatura se faz necessária para facilitar o rompimento das ligações químicas do minério. Normalmente, estas reações são acompanhadas por uma troca significativa de calor, dada por uma variação de entalpia, AH. As reações são chamadas de endotérmicas quando absorvem calor (AH>0) e de exotérmicas quando liberam calor (AH<0). MA + B → BA + M ∆H Dois dos principais agentes redutores utilizados em reações a altas temperaturas são o carbono e o alumínio. O carbono, na forma de coque, além de ser um potente agente redutor, é o combustível cuja queima fornece a energia necessária para elevar a temperatura aos níveis necessários. Esta queima resulta na produção de monóxido de carbono que também atua como forte redutor. Normalmente, as reações assistidas por carbono são endotérmicas, como mostrado pela reaçao de redução do óxido de chumbo a 900°C: PbO + C → Pb + CO ∆H=+17,5 kcal/mol As reações de redução dos minérios de ferro utilizam predominantemente o carvão coque para a produção do ferro gusa. Esta é uma das etapas do conjunto de processos denominados de siderúrgicos, que têm por objetivo a obtenção de aços e ferros fundidos. Devido à sua grande importância, os processos siderúrgicos serão tratados com maior detalhe na próxima seção. 11 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 1.3 – Processos Siderúrgicos Ao conjunto de processos pirometalúrgicos usados na cadeia de produção de aços, ferros fundidos e ferro-ligas, dá-se o nome de siderurgia. A Figura 1.10 mostra um fluxograma simplificado do processo siderúrgico. Figura 1.10 – Síntese dos processos siderúrgicos. Conforme visto anteriormente, o primeiro processo siderúrgico é o beneficiamento do minério de ferro. A seguir, o minério é reduzido por diversos meios, resultando em ferro bruto (gusa ou esponja) e ferro-ligas. Na aciaria, o ferro gusa é refinado no estado líquido através de processos de oxidação, com a finalidade de diminuir a concentração de certos elementos, como, por exemplo, o carbono, e a ele são adicionadas quantidades variáveis de elementos de liga e sucatas ferrosas. Após o ajuste da composição química, os lingotes são vazados para, em seguida, serem trabalhados mecanicamente por processos de laminação ou forjamento. Os produtos obtidos por laminação são classificados em laminados longos, planos e semi-acabados. 12 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 Na fundição, a carga metálica para a produção de ferros fundidos é composta, normalmente, por ferro gusa, sucatas e elementos de liga. Por outro lado, para a fabricação de aços, a carga metálica, geralmente, consiste em sucata de aço e elementos de liga. O metal fundido é, então, vazado em moldes com geometrias diversas. Nem todas as etapas do processo são executadas pelas siderúrgicas. Algumas destas se especializam em produzir somente o ferro gusa e ferro-ligas e comercializá-los para aciarias e fundições. Outras seguem adiante na cadeia produtiva até a produção de laminados e/ou forjados. Já o processo siderúrgico chamado de fundição, geralmente, não ocorre dentro da planta de usinas siderúrgicas. Esta etapa é realizada em empresas especializadas na produção de peças de ferro e aço com geometrias próximas das dimensões finais. 1.3.1 – PROCESSOS DE REDUÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO Após a etapa de beneficiamento, o minério de ferro pode sofrer diversos tipos de processos de redução que podem transformá-lo em ferro gusa ou ferro-esponja. O ferro gusa corresponde a cerca de 90% da produção mundial de ferro bruto e sua obtenção pode ocorrer de duas maneiras distintas: em alto-forno ou em forno elétrico a arco. Figura 1.11 – Fluxograma dos principais processos siderúrgicos de redução. 13 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 O ferro esponja, diferentemente do ferro gusa, que é obtido no estado líquido, é produzido diretamente no estado sólido pela passagem de gases redutores a alta temperatura por entre as partículas de minério. Os três principais processos capazes de produzir ferro esponja são: WibergSòdefors, Hojalata y Lâmina e Ferro-H. A Figura 1.11 apresenta um fluxograma contendo todos os processos anteriormente mencionados e que serão descritos com maiores detalhes nas seções a seguir. 1.3.1.1 – Produção de ferro gusa em alto-forno Uma vez beneficiado na forma de pelotas sintetizadas, o minério de ferro é carregado pela parte de cima do alto-forno juntamente com um fundente e coque, como esquematizado pela Figura 1.12. O fundente, geralmente à base de calcário (CaCO), calcina dentro do forno, produzindo cal (CaO). A cal, uma substância básica, neutraliza a sílica ácida (SiO2) da ganga do minério, formando uma escória de silicato de cálcio (CaO.SiO2), a qual possui ponto de fusão muito menor do que o da sílica, facilitando portanto sua remoção do alto-forno. As reações descritas acima são dadas abaixo: CaCO3 → CaO + CO2 CaO + SiO2 → CaO.SiO2 Na parte de baixo do alto forno, ar pré-aquecido a uma temperatura aproximada de 900°C é soprado logo acima da linha de formação de escória. O pré-aquecimento do ar se faz necessário para diminuir a perda calorífica do processo, reduzindo o consumo de coque combustível, o que naturalmente acarreta uma diminuição do teor de enxofre no ferro gusa. A redução do óxido de ferro é um processo endotérmico que pode ocorrer diretamente pela ação do carbono redutor do coque ou indiretamente pelo monóxido de carbono (CO), o qual é formado pela combustão do carbono com o oxigénio do ar. Esta reação de queima, junto com o ar pré-aquecido, fornece o calor necessário para a redução. 2C + O2 → 2CO ∆H<0 A sequência de reduções dos óxidos, que aumenta progressivamente o teor de ferro, obedece à seguinte ordem: ,CO ,CO ,CO Fe2 O3 C → Fe3 O4 C → FeO C → Fe ∆H>0 14 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 A química das reações de redução no alto-forno é extremamente complexa e sua descrição mais detalhada foge do escopo deste livro. Desta maneira, optou-se por um enfoque simplificado do fenómeno e caso o leitor tenha a necessidade de maiores detalhes do processo, aconselha-se a leitura das bibliografias citadas no fim do capítulo. Entretanto, convém destacar que outras reações químicas ocorrem paralelamente às reações de redução e de queima do combustível. Dentre elas, destacam-se a já mencionada reação de formação de escória, reações de dessulfuração e redução de P2O5, MnO e SiO2, formando P, Mn e Si, respectivamente, que são incorporados ao banho. Figura 1.12 – Representação esquemática de um alto-forno O ferro formado, à medida que desce em direção às regiões de maiores temperaturas, a cerca de 1800°C, funde-se e deposita-se no fundo do alto-forno de onde pode ser recolhido periodicamente. A Figura 1.13 ilustra o ferro-gusa sendo coletado, e trasnformado em lingotes. Além da escória, outros sub-produtos são gerados, tais como cinzas da queima de materiais inertes da ganga e do coque e que são arrastadas para fora do forno pelos gases. Estes gases, constituídos, basicamente, por uma mistura de CO2 e CO, a cerca de 300°C, são recuperados para auxiliar os processos de pré-aquecimento. 15 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 (a) (b) (c) Figura 1.13 – (a) Ferro gusa, (b) lingotamento do ferro gusa, (c) “pães de gusa” 1.3.1.2 – Produção de ferro gusa em forno elétrico Quando as reações de redução são processadas em um forno elétrico a arco, não há consumo de coque combustível, nem a necessidade de entrada de ar, uma vez que a energia elétrica se encarrega de aquecer o sistema. O consumo gira em torno de 2kWh por kg de ferro produzido, valor este relativamente baixo, se comparado ao da produção de alumínio que gira em torno de 1 2kWh a 1 5kWh por kg de alumínio. O consumo de coque só é necessário para alimentar as reações de redução e para incorporar carbono ao ferro. 16 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 1.3.1.3 - Produção de ferro esponja O processo Wiberg-Sòdefors utiliza-se de dois pares de eletrodos de grafita que produzem, a cerca de 1100°C, os gases redutores H2 e CO a partir de carbono e água, de acordo com a equação abaixo: 0 C C ( g ) + H 2 O( g ) 1100  → H 2 ( g ) + CO( g ) Os dois gases redutores são injetados, a uma temperatura de aproximadamente 1000°C, na parte inferior de uma câmara de redução, enquanto o minério é despejado pela parte superior da câmara. O minério é reduzido à medida que cai, obtendo-se ferro esponja no estado sólido. O consumo de energia é de cerca de IkWh por kg de ferro esponja produzido. O processo Hojalata y Lâmina se diferencia do processo Wiberg-Sòdefors por ser um processo descontínuo e por utilizar o metano (CH4), em vez do coque como fonte de carbono. O metano reage com água, na presença de níquel, para formar os gases redutores H2 e CO. Observa-se neste caso que a quantidade de H2 formada é três vezes maior do que na reação de água com o carbono. CH 4 ( g ) + H 2 O( g ) → 3H 2 ( g ) + CO ( g ) Ni O processo Ferro-H utiliza somente o hidrogénio, produzido a partir da reação do CH4 com água, como agente redutor. Este processo emprega minério finamente fragmentado em suspensão em um fluxo ascendente de H2. O ferro esponja obtido é em seguida sinterizado em lingotes. A Figura 1.14 ilustra o ferro esponja. Figura 1.14 – Ferro esponja (a) para uso na usina integrada (b) pata transporte a longas distâncias 17 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 1.3.2 – FABRICAÇÃO DE AÇOS Os processos de fabricação de aços baseiam-se, essencialmente, em operações de oxidação de impurezas e/ou elementos em excesso no banho metálico, através da passagem de ar ou oxigénio puro pelo metal líquido ou pela adição de substâncias ricas em oxigénio. A sequência de oxidação é diferente se o processo ocorre em meios ácidos ou básicos, dependendo do tipo do refratário de revestimento utilizado. Em linhas gerais, refratários silicosos devem operar em meio ácido, enquanto refratários a base de dolomita (CaO.MgO) ou magnesita (MgO) devem operar preferencialmente em meio básico. Em meio ácido, os primeiros elementos a se oxidarem são o manganês e o silício, seguidos pelo carbono. Deve-se destacar que o fósforo, ao oxidar, forma um óxido ácido (P2O) que só pode ser removido na presença de um escorificante básico, tal como o CaO, e, portanto, o processo deve ocorrer em meio básico. Desta forma, refinadores do tipo ácido só podem operar com ferro gusa de baixo teor de fósforo, devido ao risco de fragilização do aço. Para que a oxidação ocorra em meio básico, o ferro gusa deve apresentar baixo teor de silício, uma vez que este elemento ataca o refratário básico, reduzindo sua vida útil. A redução do teor de silício altera a sequência de oxidação para silício, manganês, carbono e fósforo, respectivamente. A Tabela 1.3 resume as condições de operação de oxidação em meios ácido e básico. Tabela 1.3 – Parâmetros de oxidação em meios ácido e básico O excesso de oxigénio no banho líquido, na forma de FeO, pode ser removido adicionando-se uma pequena quantidade de ferro-liga Fe-Mn (75-80% Mn e 6-7% C), conforme mostrado na equação abaixo: FeO ( sol ) + Mn → Fe + MnO (insol ) O óxido de manganês (MnO) que se forma é insolúvel e é arrastado pela escória. Além disto, o manganês é responsável pela conversão de filmes de sulfetos de ferro (FeS), os quais podem criar um caminho propício à propagação de trincas, em glóbulos de sulfeto de manganês 18 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 (MnS), os quais são menos prejudiciais. O manganês restante, junto com o carbono, dissolve-se no aço, contribuindo assim para ajustar o teor de carbono equivalente. Entre os processos mais conhecidos para se realizar a oxidação, destacam-se o conversor Bessemer, os conversores a oxigénio, o forno Siemens-Martin e o forno elétrico a arco. O conversor Bessemer, Figura l.15a, utiliza-se do oxigénio do ar para efetuar a oxidação. As reações que ocorrem são do tipo exotérmicas e liberam uma quantidade de energia suficiente para manter ou até mesmo aquecer a temperatura do banho e, portanto, o conversor não requer fonte de energia adicional. A grande quantidade de nitrogénio presente no ar diminui o poder calorífico do conversor Bessemer, limitando o uso de sucata em no máximo 10% da carga metálica, sob o risco de esfriar o banho. Para evitar estas ocorrências, outros processos de conversão fazem uso de oxigénio puro, aumentando significativamente a geração de energia decorrente das reações de oxidação. A Figura l.15b mostra o princípio de operação de um conversor a oxigénio. Isto faz com que o teor de sucata que pode ser utilizado chegue até 40%, compensando o custo adicional gerado pelo oxigénio puro. Além da economia, a sucata também auxilia no resfriamento do banho, otimizando os processos termodinâmicos. Figura 1.15 – (a) Coversor Bessemer e (b) conversor a oxigénio. Enquanto os conversores Bessemer e a oxigénio são energeticamente auto-sustentáveis, o forno Siemens-Martin, em geral, utiliza-se de aquecimento gerado por queima de gás, Figura l.16a. Desta forma, a carga de sucata a ser adicionada pode chegar por volta de 50-60%. Este tipo de forno produz aços de alta qualidade a partir de sucata e de ferro gusa com baixo teor de fósforo, operando em meio ácido. O controle de oxidação é feito pela adição de óxidos de ferro ao banho. O cadinho é raso, criando uma grande área de contato com a escória. Paulatinamente, as impurezas se oxidam e se juntam à escória que flutua sobre o metal líquido. 19 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 O processo por forno elétrico é capaz de produzir aços de alta qualidade a partir da refusão de cargas compostas totalmente de sucata, Figura l.l6b. O aquecimento é gerado por eletrodos de grafita que geram um arco elétrico sobre a carga metálica. Quando operando em meio básico, o processo pode remover quase que a totalidade de silício, manganês e fósforo e a única impureza que resta no banho é, essencialmente, o enxofre. O enxofre é, então, removido por uma escória básica redutora criada pela adição de cal (CaO) e antracito (conforme a reação dada pela equação abaixo). O sulfeto de cálcio formado é insolúvel e é eliminado junto com a escória. Dos processos mencionados acima, este é o único capaz de eliminar o enxofre do aço. FeS ( sol ) + C + CaO → Fe + CO + CaS (insol ) Figura 1.16 (a) Forno Siemens-Martin e (b) forno elétrico a arco. 1.3.3 – FABRICAÇÃO DE FERRO-LIGAS Elementos como manganês, molibdênio e boro, normalmente, são produzidos ligados ao ferro, isto é, como ferro-ligas e servem como fonte de elementos de liga para a produção de aços e ferro fundidos. A maior parte dos ferro-ligas são fabricados por um processo denominado eletrotermia. Em tal processo, uma carga, consistindo no minério a ser reduzido, coque, sucata de aço e fundente, é colocada em um forno elétrico a arco submerso e aquecida. Normalmente, o carbono funciona como um forte redutor nas altas temperaturas atingidas pelo forno. Entretanto, certos tipos de ferro-ligas, tais como Fe-Ti e Fe-Nb são produzidos por um processo altamente exotérmico chamado de aluminotermia, onde o alumínio é usado como agente redutor. 20 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 1.4 – Resumo – Etapas de Fabriação do Aço O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão e cal. A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, redução, refino e laminação, como ilustra o esquema da Figura 1.17. Figura 1.17 – Processo simplificado da produção de aço, desde a matéria-prima até os produtos finais 1. Preparação da carga Grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque. O produto resultante é chamado de sinter. O carvão é processado na coqueria e transforma-se em coque. 2. Redução Essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto forno. Oxigênio aquecido a uma temperatura de 1000ºC é soprado pela parte de baixo do alto forno. O carvão, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro em um metal líquido: o ferro-gusa. O gusa é uma liga de ferro e carbono com um teor de carbono muito elevado. 3. Refino 21 Prof. Luciana Sgarbi Rossino / 2009 Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e sucata de ferro e aço em aço líquido. Nessa etapa parte do carbono contido no gusa é removida juntamente com impurezas. A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir semi-acabados, lingotes e blocos. 4. Laminação Os semi-acabados, lingotes e blocos, são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Chiaverini, V. Materiais de construção mecânica. 2 ed, vol. III, São Paulo: MacGraw-Hill, 1986. Colpaert, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 3 ed., São Paulo: Edgar Blucher, 1974. Milan, M. T.; Maluf, O.; Spinelli, D.; Bose Filho, W. W. Metais uma visão objetiva. São Carlos: Suprema, 2004. http://www.imetais.com/ http://www.infomet.com.br/ http://www.acobrasil.org.br 22