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Prof.: MSc. Ricardo Kirchhof Unfer

Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESCDepartamento Engenharia Produção e Sistemas – DEPSDisciplina: Processos Mecânicos de Fabricação - PMF

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.

• 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 difundiu-se por toda bacia do Mediterrâneo.

História

• 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

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

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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:

C + O2 →→→→ CO2 Reação 1Originando-se grande quantidade de calor.

• Este CO 2, ao entrar em contato com o coque incandescente, decompõe-se:

CO2 + C →→→→ 2CO Reação 2O 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 seguinte s reações:

CaCO3 →→→→ CaO + CO2 Reação 3MgCO3 →→→→ MgO + CO2 Reação 4

Além do CO como agente redutor, o próprio carbono d o carvão atua nesse sentido.

Reações químicas de redução do minério de ferro:

3Fe2O3 + CO →→→→ 2Fe3O4 + CO2 Reação 5Fe3O4 + CO →→→→ 3FeO + CO2 Reação 6

ouFe2O3 + 3C →→→→ 2Fe + 3CO Reação 7

• Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho onde o ferro líquido e a escória são depositad os), inicia-se a formação da escória, pela combinação da cal (CaO ) com a ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quant idade de óxido de ferro e manganês.

Reações químicas de redução do minério de ferro:

Essa escória formada, juntamente com o ferro, começ a a gotejar através dos interstícios (espaços vazios) da carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho.

Outras reações:

Mn3O4 + C →→→→ 3MnO + CO Reação 8MnO + C →→→→ Mn + CO Reação 9SiO2 + 2C →→→→ Si + 2CO Reação 10P2O5 + 5C →→→→ 2P + 5CO Reação 11FeS + CaO + C →→→→ CaS + Fe + CO Reação 12

Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações:

3Fe + C →→→→ Fe3C Reação 133Fe + 2CO →→→→ Fe3C + CO2 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 compl exas. Essa escória resulta da combinação do CaO e do MgO do c alcário (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 s eu baixo peso específico.

• Assim, no cadinho (reservatório), a escória e o gus a 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.

Um outro produto do alto-forno é a escória, cuja composição varia igualmente dentro de largos limites, isto é:

SiO2 - 29 a 38%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...

Produtos do alto-forno

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 oxigênioProcesso 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

(Fe2O3 – ferro)

CARVÃO MINERAL(Carbono- redutor)

CALCÁREO(CaO – fluxante)

PELOTIZAÇÃO(homogeneização)

COQUERIA(produção Coque)

ALTO FORNO(redução do minério de ferro e fusão do metal)

FERRO GUSA

DESSULFURAÇÃO

DESCARBONETAÇÃO

(Conversor)

DESGASEIFICAÇÃO OU DESOXIDAÇÃO

AÇO LÍQUIDO

Ar (O2) Escória

LINGOTEAMENTO

LINGOTEAMENTO

LAMINAÇÃO

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)