Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC
Departamento Engenharia Produção e Sistemas – DEPS
Disciplina: Processos Mecânicos de Fabricação - PMF
Processos de Fabricação de Aço através
Siderurgia
Prof.: MSc. Ricardo Kirchhof Unfer
História
• Muitos defendem a hipótese de que o homem descobriu
o ferro no Período Neolítico (Idade da Pedra Polida), por
volta de 6.000 a 4.000 anos a.C.
• Ele teria surgido por acaso, quando pedras de minério
de ferro usadas para proteger uma fogueira, após
aquecidas, se transformaram em bolinhas brilhantes.
• O fenômeno, hoje, é facilmente explicável: o calor da
fogueira havia derretido e quebrado as pedras.
• No início era extraído dos meteóros e por isso o ferro
era considerado uma dádiva dos Deuses.
História
• Aos poucos, o ferro passou a ser usado com mais
freqüência, a partir do momento em que descobriu-se como
extraí-lo de seu minério.
• A exploração regular de jazidas começou em torno de 1.500
a.C., provavelmente no Oriente Médio, de onde o metal teria
sido importado por assírios e fenícios.
• Do primeiro milênio da era cristã em diante, o ferro difundiuse por toda bacia do Mediterrâneo.
Siderurgia no Brasil
• Em
1554, o padre jesuíta José de
Anchieta relatou, em um informe ao rei
de Portugal, a existência de depósitos
de prata e minério de ferro no interior
da capitania de São Vicente (atual
estado de São Paulo).
• Quem primeiro trabalhou na redução
desse minério de ferro foi Afonso
Sardinha.
Siderurgia no Brasil
• Em
1587, ele descobriu magnetita na
atual região de Sorocaba, no interior de
São Paulo, e iniciou a produção de ferro
a partir da redução do minério.
• É a primeira fábrica de ferro que se
tem notícia no Brasil.
• As forjas construídas por Sardinha
operaram até a sua morte, em 1629.
• Após essa data, a siderurgia brasileira
entrou em um período de estagnação
que durou até o século seguinte.
Produção de 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;
http://www.ibs.org.br/siderurgia_usos_producao.asp
Fluxo de Produção
• .
http://www.ibs.org.br/siderurgia_usos_fluxo.asp
A obtenção de Ferro Gusa
Consiste em fazer a redução do minério de
ferro.
• O agente redutor utilizado é o carbono
proveniente de coque de carvão mineral ou de
carvão vegetal;
Matérias primas
• O alto forno é inicialmente carregado com o
coque
e
depois
aceso.
Depois
de
Aproximadamente 24 horas estará quente
suficiente para receber camadas sucessivas de:
• Minério (Fe2O3);
• Coque (C);
• Substância Fundente (CaCO3);
Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o
equipamento auxiliar principal.
Uma tonelada de aço
• Para cada tonelada de ferro produzida, são
usadas cerca de 2 t de minério, 0,5 t de
calcário, 1 t de coque e 4 t de ar. E, como
subprodutos, cerca de 0,5 t de escória e 6 t de
gás.
Reações químicas:
• As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades
das ventaneiras: da ordem de 1.800 a 2000°C. Nesta
região, verifica-se a reação:
Reação 1
C + O2 → CO2
Originando-se grande quantidade de calor.
• Este CO2, ao entrar em contato com o coque
incandescente, decompõe-se:
CO2 + C → 2CO
Reação 2
O CO originado é o agente redutor.
Reações químicas:
• A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com
a corrente gasosa ascendente sofre uma secagem.
• A decomposição dos carbonatos, contidos no calcário
dá-se a aproximadamente 800ºC, conforme as seguintes
reações:
CaCO3 → CaO + CO2
MgCO3 → MgO + CO2
Reação 3
Reação 4
Além do CO como agente redutor, o próprio carbono do
carvão atua nesse sentido.
Reações químicas de redução do minério de
ferro:
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
ou
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
Reação 5
Reação 6
Reação 7
• Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do
cadinho onde o ferro líquido e a escória são depositados), iniciase a formação da escória, pela combinação da cal (CaO) com a
ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quantidade
de óxido de ferro e manganês.
Reações químicas de redução do minério de
ferro:
Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa
a gotejar através dos interstícios (espaços vazios) da
carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho.
Outras reações:
Mn3O4 + C → 3MnO + CO
MnO + C → Mn + CO
SiO2 + 2C → Si + 2CO
P2O5 + 5C → 2P + 5CO
FeS + CaO + C → CaS + Fe + CO
Reação 8
Reação 9
Reação 10
Reação 11
Reação 12
Finalmente, as últimas reações fundamentais são
representadas pelas equações:
3Fe + C → Fe3C
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
Reação 13
Reação 14
• Todas estas reações produzem, então, o ferro gusa, que além de
ferro e carbono também incorpora os elementos manganês (Mn),
silício (Si), fósforo (P) e enxofre (S).
• A formação da escória compreende reações bem mais complexas.
Essa escória resulta da combinação do CaO e do MgO do calcário
(fundente) com a ganga (impurezas) do minério e as cinzas do
carvão.
Finalmente, as últimas reações fundamentais são
representadas pelas equações:
• A escória caracteriza-se por sua grande fluidez e seu
baixo peso específico.
• Assim, no cadinho (reservatório), a escória e o gusa
líquido separam-se por gravidade, formando duas
camadas, isto é, a inferior (metálica) e a superior
(escória), facilitando o vazamento de ambos os
produtos.
Produtos do alto-forno
• O principal produto do alto-forno é o ferro gusa. O ferro
gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e
teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre.
• De um modo geral, a maioria dos ferro gusas possíveis de
serem obtidos em alto-forno está compreendida na seguinte
faixa de composições:
Carbono - 3 a 4,4%
Silício
- 0,5 a 4,0%
Manganês - 0,5 a 2,5%
Fósforo - 0,05 a 2,0%
Enxofre - 0,20% máx.
Produtos do alto-forno
Um outro produto do alto-forno é a escória, cuja composição
varia igualmente dentro de largos limites, isto é:
- 29 a 38%
SiO2
Al2O3
- 10 a 22%
CaO + MgO - 44 a 48%
FeO + MnO - 1 a 3%
CaS
- 3 a 4%
Este material depois de solidificado pode ser utilizado como
lastro de ferrovias, material isolante etc... Sua mais
importante aplicação dá-se na fabricação do chamado
“cimento metalúrgico”.
Produtos do alto-forno
Finalmente, o gás de alto-forno é um subproduto muito
importante devido ao seu alto poder calorífico. Sua
composição é a seguinte:
CO2 - 13%
CO - 27%
H2 - 3%
N2 - 57%
Este gás é utilizado na própria usina siderúrgica nos
regeneradores, fornos diversos de aquecimento, caldeiras
etc...
Fabricação do aço ou Refino
• O ferro gusa é uma liga Fe-C com outro elementos
resultantes do processo de fabricação.
• Estes outros elementos são o Si, Mn, P e S. Para a
fabricação do aço, estes outros elementos, inclusive o
carbono, devem ter seus teores reduzidos.
• Esta redução da concentração destes elementos químicos
ocorre por oxidação.
Fabricação do aço ou Refino
• Os
“agentes oxidantes”, isto é, aqueles que iram oxidar o ferro
gusa para baixar o teor dos elementos químicos, podem ser de
natureza gasosa ( ar ou oxigênio) ou sólida (minério de ferro).
• Processos pneumáticos → agente oxidante → ar ou oxigênio
Processo Siemens-Martin ou elétrico → agente oxidante →
substâncias sólidas contendo óxidos (minério de ferro por
exemplo).
Processos Pneumáticos
Dessulfuração
• Dessulfuração é a retirada do enxofre utilizando óxido
de cálcio (CaO) que reagem com o enxofre, formando
sulfeto de cálcio (CaS).
CaO + FeS → CaS + FeO
• Após este processo será iniciado o Refino, ou seja,
conversão do ferro gusa em aço.
MINÉRIO DE
FERRO
CARVÃO MINERAL
CALCÁREO
(Carbono- redutor)
(CaO – fluxante)
(Fe2O3 – ferro)
PELOTIZAÇÃO
COQUERIA
(homogeneização)
(produção Coque)
Ar (O2)
ALTO FORNO
(redução do minério de
ferro e fusão do metal)
FERRO GUSA
DESSULFURAÇÃO
DESCARBONETAÇÃ
O
(Conversor)
DESGASEIFICAÇÃO
OU DESOXIDAÇÃO
AÇO LÍQUIDO
LINGOTEAMENTO
LAMINAÇÃO
Escória
LINGOTEAMENTO
Referências:
• www.ibs.org.br
• CAMPOS, Maurício Prates de; Introdução à Metalurgia
Extrativa e Siderurgia. Rio de Janeiro: LTC/FUNCAMP,
1981.
• ARAÚJO, Luiz Antônio de; Siderurgia. São Paulo: FTA
S.A., 1967.
• NETO, André Olah; Apostila:Processo de Fabricação
dos Aços. UDESC-CCT, 2007.
• www.demec.ufmg.br (Universidade Federal de Minas
Gerais)