Aula 2 - siderurgia

(1)

ESCOLA DE ENGENHARIA PROCESSOS METALÚRGICOS

Processos Metalúrgicos

Siderurgia

(2)

Siderurgia:

Metalurgia do Ferro. Engloba os processos de

obtenção dos produtos a base de Ferro.

Metalurgia: Abrange os conhecimentos químicos e físicos a

respeito da extração, purificação e modificação

dos metais.

(3)

ESCOLA DE ENGENHARIA

PROCESSOS METALÚRGICOS

Metais

• Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos

• Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade

• Não são transparentes à luz visível

• Têm aparência lustrosa quando polidos - Brilho metálico

• Geralmente são resistentes e deformáveis

• São muito utilizados para aplicações estruturais

CCC CFC

(4)

(5)

Ligas Metálicas

Ligas metálicas ferrosas Não ferrosas aços Ferros fundidos

baixa liga Ferro

cinzento Ferro Nodular dúctil Ferro branco Ferro maleável Alta liga Aço ferramenta inoxidável Baixo teor de C Médio teor de C Alto teor de C comum Alta resistência Baixa liga comum Tratável termicamente comum Aço ferramenta

(6)

Produção Mundial

2010: 1,4 bilhão de

toneladas.

< 6>

Produção 2010

Fonte: WSA

http://www.worldsteel.org

Produção brasileira

2009: 31,5 milhões

de toneladas.

Rank Company mmt Rank Company mmt

1 ArcelorMittal 98.2 24 IMIDRO 11.4

2 Baosteel 37.0 25 Techint 8.8

3 POSCO 35.4 26 Metinvest 8.7

4 Nippon Steel 35.0 27 Kobe 7.6

5 JFE 31.1 28 CELSA 7.4

6 Jiangsu Shagang 23.2 29 voestalpine 7.3

7 Tata Steel 23.2 30 Usiminas 7.3

8 U. S. Steel 22.3 31 Erdemir 7.1 9 Ansteel 22.1 32 BlueScope 6.8 10 Gerdau 18.7 33 JSW 6.4 11 Nucor 18.3 34 Metalloinvest 6.1 12 Severstal 18.2 35 Essar 6.0 13 Wuhan 16.6 36 SSAB 5.8 14 ThyssenKrupp 16.4 37 CSN 5.5 15 Evraz 16.3 38 Salzgitter 5.2 16 Shougang 14.9 39 HKM 5.2 17 Riva 14.0 40 Hadeed 5.0 18 SAIL 13.6 41 Ezz 4.5 19 Sumitomo 13.3 42 Duferco 4.1 20 Hyundai 12.9 43 Nisshin 3.8

21 China Steel 12.7 44 AHMSA 3.7

22 NLMK 11.9 45 CMC 3.5

(7)

Dados de Mercado

• Parque produtor de aço: 27 usinas, sendo que 12 integradas (a partir do minério de ferro) e 15 semi-integradas (a partir do processo de ferro gusa com a sucata),

administradas por oito grupos empresariais.

• Capacidade instalada: 42,1 milhões de t/ano de aço bruto • Produção Aço Bruto: 26,5 milhões de t

• Consumo aparente: 18,6 milhões de t • Número de colaboradores: 116.409

• Saldo comercial: US$ 1,9 bilhões - 7,5% do saldo comercial do país • 15º Exportador mundial de aço (exportações diretas)

• 5º Maior exportador líquido de aço (exp - imp): 6,5 milhões de t • Exporta para mais de 100 países

• Exportações indiretas (aço contido em bens): 2,1 milhões de t

• Consumo per capita de aço no Brasil: 97 quilos de aço bruto/habitante

• Principais setores consumidores de aço: Construção Civil; Automotivo; Bens de capital, Máquinas e Equipamentos (incluindo Agrícolas); Utilidades Domésticas e Comerciais.

Fonte: IBS

(8)

Ligas ferrosas

•

Ligas de ferro e carbono contendo elementos residuais

como silício, manganês, fósforo, enxofre, entre outros.

•

Pode conter elementos adicionados (cromo, molibdênio,

níquel vanádio...) com algum propósito particular .

•

Aços: teor de carbono até aproximadamente 2,11% .

•

Ferros fundidos: teor de carbono entre 2,11% e 6,7% (na

prática entre 2,5 e 4,5 %) em geral contendo silício em

percentual maior que os aços que garante a presença de

grafita (carbono puro) na estrutura.

(9)

Produção 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.

• 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 sínter.

• 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.

(10)

Produção do Aço

• 3. Refino

• Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e a sucata de ferro e aço em aço líquido.

• Aqui parte do carbono contido no gusa é removido 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.

• http://www.belgo.com.br/solucoes/videos/fabricacao_aco_industria/fabricacao_

(11)

produção

(12)

(13)

(14)

Minério de Ferro

• Os principais tipos de minérios conhecidos são:

magnetita; hematita, limonita e siderita.

• Entre todos estes tipos de minério, a hematita, que

constitui a maioria dos minerais brasileiros, é o mais

importante em função da sua relativa abundância e

alto teor de ferro. No Brasil a hematita ocorre em

grandes massas compactas ou friáveis de elevado

teor de ferro, ou como rocha metamórfica laminada

em camadas alternadas com quartzo denominada

itabirito, podendo atingir até 69% de ferro.

(15)

O minério de ferro é composto por três partes:

• Útil  parte que contém o ferro

• Ganga  impurezas sem valor direto

• Estéril  rocha onde o minério se encontra

escondido entre outros minérios sem valor.

O minério de ferro pode ser classificado como:

• Rico  60 a 70% de Fe

• Médio  50-60% de Fe

• Pobre  <50%

(16)

•

Os óxidos de ferro devem ser

reduzidos

para a produção.

Nome Magnetita Hematita Limonita Siderita

Cor Cinza escuro Cinza a

vermelho fosco

Amarela a marrom escuro

Cinza esverdeado

Composição Fe₃O₄ Fe₂O₃ 2Fe₂O₃ 3H₂O FeCO₃

% Fe 72,36 69,96 62,85 48,20 Ocorrência Rochas ígneas, sedimentares e metamórficas Rochas sedimentares e Rochas

metamórficas sedimentares Rochas _sedimentares

(17)

•

No beneficiamento o minério passará pelos britadores, que

quebram as rochas em partes menores, e pelas peneiras, que

classificam as rochas britadas de acordo com o tamanho. Os

produtos resultantes destes processos são os granulados e os

finos de minério. O minério mais fino passa por uma fase de

concentração, diminuindo as impurezas e aumentando o teor de

ferro, atingindo características ideais para o processo de

aglomeração dos finos.

•

A água é utilizada em todas as fases de concentração. Para

não agredir o meio ambiente, durante o beneficiamento,

existem procedimentos de limpeza e reaproveitamento desta

água. O excedente é bombeado para as barragens, onde

ocorre a decantação. Depois de limpa, a água retorna aos rios.

Normalmente o teor do aproveitamento é entre 30 e 60%, o

resto são impurezas.

•

O minério mais fino passa por uma fase de concentração,

diminuindo as impurezas e aumentando o teor de ferro,

atingindo características ideais para o processo de

aglomeração dos finos.

(18)

Aglomeração dos finos

•

_{Pelotização}

•

A pelota é um aglomerado de forma esférica obtido pelo rolamento

em tambores, cones ou discos ricos em ferro moídos, e

umedecidos e depois submetidos a queima a temperaturas

superiores a 1250°C, quando então a pelota é consolidada.

•

São 3 as etapas de pelotização: a obtenção da granulometria

adequada, a preparação da pelota crua e o endurecimento da

pelota.

•

Preparação da pelota crua

•

O disco inclinado e em rotação é alimentado com finos de minério e

aglomerantes, recebendo jatos de água que unem as partículas

sólidas molhadas, formando núcleos que crescem pela adição de

mais partículas. A pelota consolidada é descarregada para a fase

de endurecimento no forno de pelotização.

(19)

< 19>

(20)

(21)

•

Aditivos Pelotização:

• Fundentes – A função do fundente é tornar as impurezas mais

facilmente

fusíveis,

combinando-se

quimicamente

com

elas,

formando um composto de ponto de fusão mais baixo que os

constituintes da escória. Ex: Cálcario, dolomita

• Aglomerantes – Tem função de dar condições a pelota crua de

resistir ao transporte; formar escória. Ex: Bentonita, cal hidratada

• Combustível sólido – Coque, antracito

(22)

Sinterização

< 22>

•

Processo de sinterização:

Sínteres são aglomerados de forma irregular e esponjosa, são formados

por meio de uma combustão forçada.

Componentes:

• Combustíveis finos de coque

• Finos de minérios de ferro

• Fundentes – Calcário, areia

• Aditivos: Corretivos de características para aproveitamentos dos resíduos

de recirculação

(23)

(24)

Aglomerados para

Alto-Forno

•

Sínter: Minério de ferro (finos) é aglomerada em forma

irregular

•

Pelotas: aglomeração dos finos em esferas.

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 e de resíduos siderúrgicos(pó de coletor, carepa, etc.)

Aproveitamento dos finos de mineração abaixo de 0,5 mm

Resistência mecânica média e possível à degradação durante o transporte

Elevada resistência e baixa degradação no transporte

Tamanho: 0 a 50 mm, em formato irregular Tamanho: 5 a 18 mm, de formato esférico Gera 7 a 10% de finos de retorno no transporte da sinterização

ao alto-forno

Gera de 5 a 10% de finos de retorno

(25)

Matérias Primas - Coque

•

Carvão mineral: rocha sedimentar combustível formada a

partir de vegetais, que soterrados na ausência de ar

sofreram transformações físico químicas e geológicas.

•

O carvão é processado na coqueria e transforma-se em

coque para a adição no alto-forno.

•

Coque é o sólido resultante do processo de cozimento do

carvão mineral nas coquerias, um combustível granulado e

de poder calorífico mais alto.

(26)

Matérias Primas - Coque

Principais funções do Coque:

•

Fornecer calor

•

Produzir e regenerar os gases redutores

(27)

(28)

(29)

• Matérias Primas:

• Carga metálica: minério de ferro granulado, sínter, pelota e sucata

• Redutor: carvão vegetal e coque

• Fundentes: quartzito, calcário e dolomita

• O ar injetado pelas ventaneiras irá reagir com o coque, gerando o gás redutor em alta temperatura, que irá trocar calor com a carga. Na região inferior do alto-forno, os gases com temperatura de 2000 C irão fundir o ferro gusa já reduzido, bem como aquecê-lo até a temperatura de vazamento, de aproximadamente 1500°C. As impurezas presentes nos minérios não serão reduzidas sendo apenas fundida, desta forma compondo a escória.

(30)

Alto Forno

As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de 1.800 a 2000o_{C. Nesta região, verifica-se a reação:}

C + O₂ CO₂ Reação 1 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.

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 800o_C,

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:

Reação 5 Reação 6 3Fe₂O₃+ CO  2Fe₃O₄+ CO₂

Fe₃O₄+ CO  3FeO + CO₂ ou

(31)

Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho onde o ferro líquido e a escória são depositados), inicia-se 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. 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

Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações: 3Fe + C  Fe₃C

3Fe + 2CO  Fe₃C + CO₂

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. 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.

(32)

•

_{Dessulfuração}

•

O gusa líquido deve ser transportado para aciaria com o mínimo de

perdas de calor. Este transporte é realizado pelos carro torpedo,

que possibilitam também, a dessulfuração em instalação própria,

através da injeção de aditivos e gás inerte, submergido por uma

lança. Este processo prepara o gusa para a próxima etapa de

transformação.

•

Dessulfuração e carro torpedo

•

Obs: O ferro gusa também é entregue às fundições, onde

é fundido em fornos cubilô para fabricar os FoFos.

(33)

(34)

(35)

(36)

Ferro Gusa

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

•

Silício

- 3 a 4,4%

- 0,5 a 4,0%

•

Manganês - 0,5 a 2,5%

•

Fósforo

•

Enxofre

- 0,05 a 2,0%

- 0,20% máx.

(37)

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

- 29 a 38% - 10 a 22% • SiO₂ • Al₂O₃ • CaO + MgO • FeO + MnO • CaS - 44 a 48% - 1 a 3% - 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”.

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...

(38)

Produtos do Alto forno

Principais produtos do alto forno:

•

Ferro Gusa

•

Escória

•

Gases de topo

Balanço estequiométrico:

1,7t minério + 0,5t coque + 0,25t calcário + 2t de ar =

1t ferro gusa + 0,2t escória + 3t gás de topo

Principais insumos do alto forno:

•

Minério de ferro (Pelotas, sínteres..)

•

Combustivel/Agentes redutores (Carvão mineral/vegetal, coque)

•

Fundentes (Calcário, dolomita...)

(39)

em aço

< 39>

• A composição do gusa está longe da composição típica dos aços devendo ser reduzido os teores de carbono enxofre, fósforo, manganês entre outros.

• O princípio químico é a oxidação dos elementos envolvendo a injeção controlada de O₂ ou de ar saindo na forma de gases ou passando para a escória.

• Conversores: ar ou O₂é soprado durante 15 a 20 min. através ou sobre 100 a 150 ton. de carga, sendo a fonte de calor a própria oxidação dos elementos (reações são exotérmicas).

• Tipos de conversores: Thomas: ar insuflado por baixo. Bessemer: Ar insuflado por baixo, e LD: O₂ insuflado com lança ( em geral adiciona-se sucata junto para baixar a temperatura), (MAIS USADO)

• Fornos elétricos: Utiliza arco elétrico entre 3 eletrodos de grafite e a carga. Em geral utiliza sucata como carga, tempo de corrida 2 horas (em geral usado para aços especiais).

• A produção do aço líquido se dá através da oxidação controlada das impurezas presentes no gusa líquido e na sucata.

• O refino do aço normalmente é realizado em batelada pelos seguintes processos:

• Aciaria a oxigênio – Conversor LD (carga predominantemente líquida).

(40)

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.

Os “agentes oxidantes”, isto é, aqueles que irão 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).

(41)

Processo Pneumático

• O princípio básico de qualquer dos processos é introduzir ar ou oxigênio, pelo fundo, lateralmente ou pelo topo, através de uma “lança”. Estes diferentes tipos de equipamentos são chamados de conversores pneumáticos. Sendo as reações de oxidação dos elementos contidos no ferro gusa líquido fortemente exotérmicas, principalmente a do silício, não há necessidade de aquecimento da carga metálica do conversor, eliminando-se, assim, a utilização de qualquer combustível.

Reações químicas de oxidação do ferro gusa:

As primeiras reações de oxidação do gusa são as seguintes: 2Fe + O₂ 2FeO

2FeO + Si  SiO₂+ 2Fe FeO + Mn  MnO + Fe

Reação 17

O resultado da oxidação é a formação de sílica SiO₂, que, juntamente com os óxidos de ferro e manganês que igualmente se formam durante o “sopro”, que origina uma escória de baixo ponto de fusão, a base de silicatos de Fe e Mn.

(42)

Processo Pneumático

< 42> A medida que o sopro continua, inicia-se a oxidação do carbono:

FeO + C  Fe + CO Reação 18

Após este primeiro estágio de oxidação, o metal está pronto para ser vazado na panela onde são, então, adicionadas as “ligas” Fe-Mn ou alumínio para desoxidar e dessulfurar o metal, segundo as seguintes reações:

FeO + Mn  MnO + Fe Reação 19 Reação 20 FeS + Mn  MnS + Fe

ou

3FeO + 2Al  Al₂O₃+ 3Fe Reação 21

Existem alguns problemas operacionais no processo de oxidação do ferro gusa. Os mais importantes são de controle do final da oxidação, da temperatura e da composição química do banho metálico. Os conversores mais conhecidos são o Bressemer, Thomas, de sopro lateral e de sopro pelo topo (conversor L-D).

(43)

•

Sopro a oxigênio

• O sopro com oxigênio proporciona rapidez na transformação do gusa em aço, além de possibilitar o reaproveitamento de sucata gerada na própria usina. O oxigênio deve ter no mínimo 99,5% de pureza. O sopro com

oxigênio pode ser por cima, por baixo ou combinado

• O processo se caracteriza pelas reações de oxidação parcial dos elementos contidos no gusa líquido, possibilitando retirada de carbono do ferro, e permitindo também captar as substâncias indesejáveis durante o refino, eliminando-os do gusa e transformando-os em escória

• Responsável por cerca 60% (540 milhões ton/ano) da produção de aço líquido mundial, a tecnologia continua a ser a mais importante rota para a produção de aço, particularmente, chapas de aço de alta qualidade

• Processo industrial teve início em 1952, quando o oxigênio tornou-se industrialmente barato. A

partir daí o crescimento foi explosivo

• Permite elaborar uma enorme gama de tipos de aços, desde o baixo carbono aos média-liga.

(44)

(45)

(46)

(47)

(48)

Neste fornos, a fusão da mistura de sucata de aço e ferro gusa ocorre devido ao calor gerado por um arco voltaico que se forma entre três eletrodos de grafite e a carga metálica.

Após a fusão da carga, oxigênio é injetado por uma lança diretamente no banho líquido. A redução dos teores dos elementos de liga ocorre, então, por oxidação, sendo que as reações são as mesma já descritas para os fornos pneumáticos.

Fornos Elétricos

(49)

Metalurgia de Panela

• Após a fusão e início do processo de refino no forno elétrico a arco, o aço líquido é transferido para uma panela.

• No forno-panela, é possível controlar a temperatura do metal líquido e, mediante injeção de um gás inerte, propiciar condições controladas de agitação. Assim, ocorre a homogeneização térmica do metal e de todas as ferro-ligas, adicionadas para atingir a composição química desejada do aço.

• Simultaneamente, ocorre o refino secundário do metal líquido. Os teores dos elementos O e S são reduzidos (desoxidação e dessulfuração), por meio de um intenso controle das reações entre a escória adicionada e o aço líquido.

• Estes tratamentos também promovem a eliminação ou modificação das inclusões não metálicas indesejáveis, garantindo um aço líquido livre de impurezas.

• Após o refino, o aço ainda não se encontra em condições de ser lingotado. O tratamento a ser feito visa os acertos finais na composição química e na temperatura.

• Desta forma o FEA ou o conversor LD pode ser liberado, maximizando a produção de aço.

(50)

Então, o refino do aço incorpora duas etapas, isto é, o refino primário

e o refino secundário.

No refino primário, são reduzidos os teores de carbono, manganês,

silício e fósforo. O calor liberado pela oxidação destes elementos químicos

reduz o consumo de energia elétrica do forno.

Durante o processo de

oxidação, a composição química do banho

líquido é monitorada por coleta de amostras e análise por espectrometria de

emissão ótica.

Quando o

banho líquido atinge a composição química ideal, este é

transportado para

um outro forno, o a composição química final do aço é

acertada (refino secundário).

(51)

< 51> Neste segundo forno (forno panela), as “ferro-ligas” (Fe-Mn ou Fe-Si) são adicionadas. Estas ligas funcionam como dessulfurantes e desoxidantes, isto é, reduzem os teores de enxofre e oxigênio do aço. A dessulfurização é realizada de acordo com a seguinte reação:

Mn + S  MnS Reação 22

O enxofre é então reduzido pela formação do sulfeto de manganês (MnS) que vai para a escória. Já quanto à desoxidação, é inevitável que parte do ferro, durante o refino primário, sofra oxidação, de acordo com a seguinte reação:

Fe + O  FeO Reação 23

Então, na desoxidação, ocorre a seguinte reação e o óxido de manganês vai compor a escória.

FeO + Mn  Fe + MnO Reação 24

Contudo, é interessante comentar que nem todo o sulfeto de manganês (MnS) e o MnO vão para a escória. Parte destes compostos, bem como o próprio FeO permanecerão no aço como impurezas, chamadas de inclusões não metálicas, as quais devem ser criteriosamente controladas pois afetam diretamente as propriedades dos aços produzidos.

(52)

Escória

Durante o processo de elaboração do aço, a escória é um material necessário apesar de ser nulo o seu valor comercial. A sua função é controlar a composição química do aço durante a sua fabricação, proporcionando reações químicas na região de contato entre eles (na interface metal/escória). É composta basicamente de óxidos, tais como: CaO, SiO2, FeO, MnO, MgO, Al2O3, e de outros constituintes que não são óxidos.

Característica da escória:

• Escória Oxidante

Possui elevado potencial de oxigênio – Formadora de óxidos de elementos, retirando impurezas através de reações de oxidação.

• Escória redutora

Possui Oxigênio nulo – Tem a característica de retirar o oxigênio dos óxidos. Rica em compostos que possuem afinidade ao oxigênio

(53)

(54)

(55)

(56)

redução direta

• O princípio da “redução direta” consiste em tratar-se óxidos de ferro praticamente puros (Fe₂O₃ ou Fe₃O₄) a temperaturas usualmente entre 950 e 1050o_{C, na}

presença de uma substância redutora, resultando, freqüentemente uma massa escura e porosa, conhecida como “ferro esponja”.

• A redução é realizada no estado sólido e os processos correspondentes têm por objetivo eliminar o alto-forno, produzindo-se o aço diretamente do minério ou produzindo-se um material intermediário, a ser empregado como “sucata sintética” nos fornos de aço.

• Os processos de redução direta seriam aconselhados, pelo menos teoricamente, para países que não dispõem do melhor carvão de pedra coqueificável ou que não possuam minérios de alto teor em ferro.

• Basicamente, todos os processos de redução direta podem ser agrupados em duas classes:

• Processos que utilizam redutores sólidos

(57)

• A Figura abaixo representa, esquematicamente, o processo conhecido pelo nome de SL/RN. A carga consiste de concentrados de minério de ferro, na forma moída ou na forma de

“pelotas”, coque e calcário moídos.

A carga é levada a um forno rotativo, onde a temperatura é mantida na faixa de 1000 a 1076o_{C. O}

produto sólido resultante é resfriado e o ferro é separado mediante separador magnético. O coque não utilizado é removido e reutilizado. O processo permite produzir material contendo enxofre entre 0,02 e 0,05% apenas, o que o torna adequado para a utilização em fornos de aço.

(58)

< 53>

(59)

Produtos Siderúrgicos

AÇOS EFERVESCENTES E ACALMADOS

Dependendo do nível de oxigênio, o aço pode ser efervescente, semi-acalmado ou acalmado.

Aço efervescente é aquele que praticamente não recebe adição de desoxidante. Quando o metal começa a se solidificar na lingoteira, o excesso de oxigênio é rejeitado da solução (pois a solubilidade do oxigênio no ferro sólido é extremamente baixa). Parte deste oxigênio se combina com o carbono, acarretando um desprendimento de CO na interface sólido-líquido. Disto resulta a formação no lingote de uma pele de metal quase puro, com fracos teores de carbono e outros solutos. Tais lingotes se caracterizam pela qualidade da superfície externa, e são por este motivo particularmente utilizados na produção de chapas, quando se deseja como principal característica a perfeita superfície externa (chapas de automóveis, por exemplo).

O aço acalmado é desoxidado de tal modo que o desprendimento de gás é evitado durante a solidificação. O aço semi-acalmado é menos desoxidado do que o aço acalmado e o oxigênio que permanece no banho reage com o carbono para formar monóxido de carbono em proporção suficiente para compensar a contratação do metal durante a solidificação.

O teor médio de oxigênio do aço acalmado é 0,003%, do semi-acalmado 0,012%. No aço efervescente o teor de oxigênio varia na faixa de 0,025-0,035%.

(60)

(61)

Lingotamento

• Toda a etapa de refino do aço se dá no estado

líquido. É necessário, pois, solidificá-lo de forma

adequada em função da sua utilização posterior.

• O lingotamento do aço pode ser realizado de três

maneiras distintas:

•

DIRETO: o aço é vazado diretamente na lingoteira;

•

INDIRETO: o aço é vazado num conduto vertical

penetrando na lingoteira pela sua base;

•

CONTÍNUO: o aço é vazado continuamente para

um molde de cobre refrigerado à água.

(62)

Direto

(63)

Indireto

INDIRETO: o aço é vazado num conduto vertical penetrando

na lingoteira pela sua base;

(64)

Lingotamento Contínuo

CONTÍNUO: o aço é vazado continuamente para um molde

de cobre refrigerado à água.

(65)

Lingotamento Contínuo

(66)

Lingotamento Contínuo

(67)

(68)

Conformação Mecânica

•

_{Após o lingotamento, os lingotes (bilets) (do lingotamento}

convencional) ou os tarugos (do lingotamento contínuo) são

encaminhados para os processos de conformação mecânica,

que genericamente podem ser:

•

Laminação;

•

Forjamento (blocos);

•

Estampagem (chapas);

(69)

Conformação Mecânica

Laminação à quente

Forjamento

(70)

< 70>

•

Processo de conformação mecânica que

consiste na passagem de um corpo

sólido entre dois cilindros que giram à

uma mesma velocidade em sentidos

contrários.

•

A peça inicial com maior dimensão sofre

uma deformação plástica o que resulta

numa diminuição da seção transversal e

aumento do comprimento.

(71)

Laminação

•

_{É o processo de deformação mais amplamente utilizado.}

•

Consiste em passar uma peça metálica entre dois rolos.

•

Formas circulares, assim como Vigas I e trilhos de trem

são fabricados usando rolos com ranhuras.

•

Laminação à frio

• Chapas, tiras e folhas com alta qualidade no acabamento superficial.

•

Laminação à quente

(72)

Laminação à frio

•

_{São obtidos através da laminação à frio dos produtos que}

foram laminados à quente.

•

Aumenta:

•

Dureza

•

Tensão de escoamento

•

Melhora:

•

Acabamento superficial

•

Diminui:

•

Conformabilidade

(73)

(74)

Conformação Mecânica

•

Extrusão

• Uma barra metálica é forçada através de um orifício em uma matriz pela ação de uma força de compressão aplicada sobre um êmbolo.

• Exemplos: barras e tubos de geometria transversal relativamente complexa.

• Tubos sem costura também podem ser extrudados.

•

Trefilação

• Consiste em puxar uma barra através de uma matriz que possui um orifício cônico mediante uma força de tração aplicada pelo lado de saída do material.

• Exemplos: barras, arames e materiais para tubos.

(75)

Forjamento

• Consiste no trabalho mecânico ou na deformação de uma única peça

de metal normalmente à quente.

• Pode ser através de golpes sucessivos ou contínuos.

• Itens forjados possuem estruturas de grãos excepcionais e a melhor

combinação de propriedades mecânicas.

• Exemplos

• Chaves e ferramentas, virabrequins, bielas (barras de conexão dos

pistões).

• Matriz fechada

• A força atua sobre duas ou mais partes de uma matriz que possui a peça acabada, de

tal modo que o metal é deformado dentro da cavidade entre as partes da matriz.

• Matriz aberta

• São empregadas duas matrizes com formas geométricas simples (chapas planas