DESENVOLVIMENTO DE UMA METODOLOGIA E UM SOFTWARE PARA CÁLCULO DO BALANÇO
DE MASSA DE PROCESSOS SIDERÚRGICOS
WAGNER ROSSI DE OLIVEIRA FILHO (Bolsista: Aluno do curso técnico em Automação – IFMG)
LUCIANO MIGUEL MOREIRA DOS SANTOS (Orientador: Professor de Siderurgia – IFMG)
INTRODUÇÃO
No ensino da disciplina Siderurgia, no curso técnico em Metalurgia, um item de extrema relevância é
o cálculo da carga dos equipamentos siderúrgicos para fabricação dos produtos exigidos pelos clientes. A
rotina de um técnico metalúrgico em uma indústria envolve o cálculo do balanço de massa e do leito de
fusão dos processos siderúrgicos. Após a constatação da dificuldade de expressivo número de alunos
com relação ao desenvolvimento desse tópico em sala de aula, este trabalho envolveu o estudo das
reações químicas que ocorrem nos processos siderúrgicos. Através do levantamento dos materiais que
entram e saem dos equipamentos siderúrgicos, é realizado o balanço de massa dos materiais envolvidos
através de programas computacionais nos processos de sinterização, pelotização, alto-forno, aciaria LD,
aciaria elétrica, ferro-ligas e adição de ligas na panela.
OBJETIVO GERAL
Tornar mais didático o ensino da Siderurgia no CEFET Ouro Preto, utilizando um programa
computacional desenvolvido em DELPHI, no qual são inseridos os dados do balanço de massa dos
processos siderúrgicos, para calcular a carga dos materiais destinada à fabricação de produtos siderúrgicos
especificados pelos clientes.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Levantamento dos materiais de entrada e saída dos processos siderúrgicos e confecção de um
software para cálculo do balanço de massa e do leito de fusão da sinterização, da pelotização, do altoforno, da aciaria LD, da aciaria elétrica, de ferro-ligas e adição de ligas na panela.
RESULTADOS ESPERADOS
Melhoria da metodologia de ensino do balanço de massa e melhor compreensão dos alunos dos
cálculos necessários para a carga dos equipamentos siderúrgicos.
Figura 1: Tela principal do software.
RESULTADOS ALCANÇADOS
A pasta calculadora de massas deve ser instalada no diretório raiz C: do computador. Quando é
acionado o arquivo executável do programa, é mostrada a tela principal do software na qual é possível
escolher o processo metalúrgico a ser calculado, conforme mostrado na figura 1.
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SINTERIZAÇÃO
É o processo de aglomeração dos finos de minério de ferro. O minério de ferro que se apresenta em
forma de partículas mais finas não pode ser utilizado diretamente no alto-forno por gerar baixa
permeabilidade na carga. Esses finos sofrem aglomeração na sinterização. A sinterização consiste
essencialmente em, após misturar e homogeneizar um conjunto de matérias-primas com uma umidade
adequada e um certo teor de combustível, submetê-la a uma semifusão redutora-oxidante a temperaturas
da ordem de 1200ºC a 1400ºC. O produto resultante desse processo é denominado sínter.
Na sinterização os combustíveis se destinam a fornecer o calor necessário ao desenvolvimento das
reações do processo. O coque fino, algumas vezes misturado com antracito, é adicionado e homogeneizado
à carga de minérios e fundentes, para gerar calor pela sua combustão com o oxigênio do ar que atravessa
o leito de sinterização. Para dar ignição à mistura, utiliza-se gás de coqueria, gás de alto-forno ou óleos
combustíveis.
O sínter é o produto da aglomeração de minérios de ferro e outras matérias-primas com o objetivo
de ser utilizado no alto-forno. Por possuir propriedades metalúrgicas melhores que os minérios de ferro
granulados na utilização nos processos de redução, a sinterização passou a ser essencial em usinas que
visam à alta produtividade, pois o sínter apresenta alta porosidade e redutibilidade, alta resistência mecânica
à queda e abrasão e granulometria e composição química controladas. A figura 2 apresenta a tela para
cálculo do balanço de massas da sinterização.
Figura 2: Tela de cálculo do balanço de massas da sinterização
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PELOTIZAÇÃO
A pelota é um aglomerado esférico obtido por rolamento em tambores ou discos rotativos. Os minérios
de ferro finamente moídos e umedecidos são aglomerados formando a pelota crua, que é posteriormente
submetida à queima na faixa de temperatura entre 1250ºC e 1350°C, na qual ocorre intercrescimento dos
grãos e semifusão dentro das partículas.
O processo de pelotização compreende as fases de preparação das matérias-primas, formação da
pelota crua e endurecimento da pelota. A mistura para a formação da pelota crua é acrescida de aditivos,
tais como o calcário, a cal e a bentonita, cuja função é aumentar o poder de aglomeração a frio das
pelotas cruas. Porém a água, que representa 10% da mistura, é a grande responsável pela aglomeração
nessa etapa. Durante o rolamento nos tambores ou discos, as forças capilares entre as partículas úmidas
e a tensão superficial da água promovem a aglomeração dos minérios na forma esferoidal. Como as
pelotas cruas possuem baixa resistência mecânica, é necessário submetê-las a um aquecimento até
1350°C, durante o qual ocorre o crescimento e recristalização dos grãos e reações entre a ganga dos
minérios e as adições, formando eutéticos de baixo ponto de fusão. A etapa de processamento térmico
das pelotas cruas visa a aumentar sua resistência mecânica e é feita em etapas de modo a evitar um
choque térmico, que levaria a trincas e geração de finos. A figura 3 apresenta a tela para cálculo do
balanço de massas da pelotização.
Figura 3: Tela para cálculo do balanço de massas da pelotização.
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ALTO-FORNO
O alto-forno é um aparelho destinado à produção de ferro-gusa, que é um produto obtido a partir da
redução dos óxidos de ferro em contra corrente com o gás redutor. É uma solução ferro-carbono, composta
de 90% a 95% Fe e 3,0% a 4,5% de carbono e elementos de liga como Si e Mn. O alto-forno produz ferrogusa, a partir das reduções do minério de ferro, para alimentar a aciaria. As matérias-primas e insumos
usuais são o sínter, minério, pelota, o coque ou o carvão vegetal e, em pequenas quantidades, fundentes
na forma de calcário, dolomita e quartzo.
No alto-forno o gusa é produzido no estado líquido, em torno de 1500°C, e, nesse estado, é levado
à aciaria, onde, após um processo de refino, passa a se denominar aço.
O processo se desenvolve em um forno vertical na forma de cone invertido. O coque atua como
redutor e combustível do processo, gerando calor. O sínter, a pelota e os minérios de ferro são as matériasprimas portadoras de óxido de ferro que deverá ser reduzido para obter o ferro-gusa. Além do gusa são
gerados no alto-forno outros subprodutos como a escória, o gás e o pó proveniente da limpeza do gás.
A escória é obtida pela fusão e separação da ganga das matérias-primas e dos fundentes. É
constituída principalmente de óxidos termodinamicamente muito estáveis como MgO, CaO, Al2O3 e SiO2.
O gás do alto-forno, como ainda possui certo teor de CO, com cerca de 20% a 25%, ainda pode ser usado
como combustível. A figura 4 apresenta a tela para cálculo do balanço de massas do alto-forno.
Figura 4: Tela para cálculo do balanço de massas do alto-forno.
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ACIARIA LD
O aço é uma liga de ferro e carbono com o teor de carbono variando entre 0,001% a 2,0%.
Na aciaria é efetuado o refino do gusa, com a oxidação dos elementos constituintes que, após
perder carbono, transforma-se em aço. O gusa apresenta impurezas tais como excesso de carbono,
silício, manganês, fósforo, enxofre e outros elementos químicos, que são oxidados na aciaria pelo processo
LD, através de um sopro de oxigênio sobre o gusa a alta temperatura. Essas impurezas são oxidadas
preferencialmente evitando que o ferro retorne à forma de minério, formando a escória que é mais leve do
que o aço líquido e pode ser separada facilmente. O aço líquido obtido é vazado em panelas que, após
tratamento, é enviado para os lingotamentos convencional ou contínuo, onde é transformado em lingotes
e/ou tarugos. A composição química final do aço estabelecida pelo cliente é feita com adição de ferro-ligas
na panela de aço. Existem vários tipos de aço que contêm elementos de liga ou apresentam elementos
residuais que conferem diferentes propriedades, conforme o tipo de aplicação requerida. A figura 5 apresenta
a tela para cálculo do balanço de massas da aciaria LD.
Figura 5: Tela para cálculo do balanço de massas da aciaria LD.
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ACIARIA ELÉTRICA
A aciaria elétrica foi concebida para operar como uma usina semi-integrada, fundindo sucata de aço,
refinando-a e conformando-a novamente em produtos utilizados no mercado.
Para o processamento final do aço no forno elétrico, também são utilizados oxidantes, desoxidantes,
ferro-ligas e recarburantes. A figura 6 apresenta a tela para cálculo do balanço de massas da aciaria
elétrica.
Figura 6: Tela para cálculo do balanço de massas da aciaria elétrica.
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FERRO-LIGAS
Os ferro-ligas são utilizados para adição de ligas ao aço com o objetivo de produzir aços especiais
com as especificações exigidas pelos clientes. Independentemente do tipo de ferro-liga, a tecnologia
utilizada na sua produção é a do forno elétrico de arco submerso. O arco elétrico fornece calor para a
redução dos diferentes óxidos presentes nas matérias-primas pelo carbono e outros elementos
Com o movimento de descida da carga no forno, ocorre um aquecimento pelos gases quentes que
sobem em contracorrente originários das reações que acontecem em altas temperaturas. À medida que
a temperatura se eleva, intensificam-se reações importantes de redução dos metais de interesse. A partir
de 1200°C parte da carga começa a amolecer e fundir. Acima dessa temperatura, metal e escória são
formados, indo depositar-se no cadinho do forno. A figura 7 apresenta a tela para cálculo do balanço de
massas em fornos de ferro-ligas.
Figura 7: Tela para cálculo do balanço de massas em fornos de ferro-ligas.
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METALURGIA DA PANELA
Um dos objetivos básicos dos processos de metalurgia da panela é adicionar as ligas e desoxidantes
na panela e utilizar os fornos de produção do aço apenas para a fusão e refinos parciais, aumentando a
produtividade da aciaria.
Os principais avanços tecnológicos para a fabricação de produtos siderúrgicos de maior valor
agregado têm sido observados na área de metalurgia da panela. Diversas operações de refino secundário
do aço promovem uma redução no teor de impurezas, uma melhoria na qualidade e um melhor
aproveitamento dos ferro-ligas, resultando em menor custo e maior confiabilidade do produto. A figura 8
apresenta a tela para cálculo do balanço de massas para adição de ligas na panela.
Figura 8: Tela para cálculo do balanço de massas para adição de ligas na panela.
CONCLUSÃO
Através do estudo dos processos siderúrgicos com as respectivas reações químicas, entradas
e saídas de massas, foi possível desenvolver um software para utilização pelos alunos. Dessa forma,
os alunos da disciplina Siderurgia ganham uma importante ferramenta pedagógica para auxílio no
cálculo do balanço de massas dos processos siderúrgicos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SANTOS, Luciano M. M. Siderurgia para cursos tecnólogicos. Ouro Preto:CEFET, 2007.
ARAÚJO, Luís Antônio. Manual de siderurgia. São Paulo: Arte e Ciência, 1999.
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