2.0 CESOL - MAT.S - SIDERURGIA

Prof.: Antônio Fernando de Carvalho Mota, M.Sc. Eng Prof.: Antônio Fernando de Carvalho Mota, M.Sc. Eng

SIDERURGIA - MATÉRIAIS PRIMAS

SIDERURGIA - MATÉRIAIS PRIMAS

METALURGIA É CIÊNCIA DOS METAIS

SIDERURGIA É A METALURGIA DO FERRO

HISTÓRICO



Origem



_{A primeira vez que o homem viu o ferro foi sob a forma de meteoritos.} 

Daí a palavra “

siderurgia

”, pois Sidus significa estrela, em Latim;



_{Primeiras evidências de uso: China e Índia (a 2000 anos antes de} 

Cristo);

Energia Livre de Gibbs

A equação da Energia Livre de Gibbs informa que:

ΔG = ΔH – TΔS

onde:

ΔH = Entalpia;

ΔS = Entropia;

ΔG = Energia Livre de Gibbs

.

O estudo de tal energia revela que:

ΔG = 0 à Equilíbrio

ΔG < 0 à Reação possível

Processos de Extração e Refino

Reação de dissociação

MX → M + X

Tal processo, entretanto, é contra-indicado, uma vez que apresenta 

elevada quantidade de energia térmica.

Reação de Redução do Composto Metálico

Energia Livre de Formação de Óxidos

Observações importantes:

A afinidade pelo oxigênio “diminui” com o aumento da 

temperatura para todos os óxidos, exceto no caso da 

formação de monóxido de carbono (

CO

).

Quanto mais alta é a temperatura, mais fácil se torna a 

redução de todos os óxidos pelo 

CO

.

Diagrama de Ellingham

A afinidade pelo oxigênio 

“diminui” com o aumento da 

temperatura para todos os óxidos, 

exceto no caso da formação de 

monóxido de carbono (

CO

).

G0

G0

Matérias-prima da indústria siderúrgica

sinter

minério beneficiado

pelotas

briquetes

O Ferro é mui to reati vos não aparec e no estado nati vo

Mineração de Ferro

•

MINÉRIOS DE FERRO:

•

a- Magnetita – Fe

O

 – 72,4% Fe

•

b- Hematita – Fe

O

 – 69,5%Fe

•

c- Siderita – FeCO

 – 48,3%

•

d- Pirita – FeS

 –sem interesse siderúrgico

Cont. Matérias-prima da indústria siderúrgica

CARVÃO

 : - Fornecedor do calor

       - Fornecedor do “

CO

” para a redução do óxido de Ferro

       - Fornecedor do “

C

” como principal elemento de liga. 

FUNDENTE

: A função do fundente é combina-se com as 

impurezas do minério e com as cinzas do carvão formando as 

chamadas “

ESCÓRIAS

”.

O principal  fundente é o calcáreo, CaCO

.

Outros fundentes: Cal (CaO) e Fluorita (CaF

).

Ar

: Fornecedor do oxigênio para a combustão da carvão

Caracterização de Carvões para a Produção de Coque

Para o processo de coqueificação é necessário que o

carvão possua propriedades coqueificantes, isto é, quando 

aquecido em ausência de ar ele deve amolecer, 

inchar, aglomerar e, finalmente, solidificar na forma de um 

sólido poroso e rico em carbono, chamado coque.      

 Os carvões que formam coque são denominados carvões 

coqueificantes. 

COQUE METALÚRGICO

 O COQUE (principal combustível do alto-forno) é  obtido da destilação 

do carvão mineral, o qual é aquecido a altas temperaturas em câmaras 

especiais (COQUERIAS), na ausência de ar, durante 17 a 18 horas.

 Nessas  condições,  uma  grande  quantidade  de  produtos  voláteis  se 

desprendem do carvão mineral, obtendo-se uma estrutura porosa, com 

elevada resistência mecânica, o COQUE.

descarregado

Coque incandescente pronto para ser

Principais Diferenças entre o Coque e o Carvão Vegetal

As principais diferenças, entre o coque e o carvão vegetal, são:

Peso específico: o menor peso do carvão leva a uma queda na 

capacidade de carregamento e menor tempo de residência da carga 

metálica no interior do forno podendo ocasionar aumento no consumo de 

combustível (BABICH et al 1);

Resistência mecânica: a menor resistência do carvão leva a uma maior 

degradação do mesmo no interior do forno provocando queda na 

permeabilidade podendo comprometer sua produtividade, além de 

prejudicar a descida de carga (WATAKABE et al 2);

Percentual de cinzas e enxofre: o menor percentual de cinzas do carvão 

vegetal implica em um volume de escória de até 50% menor que do 

coque ajudando o controle da permeabilidade na região inferior do alto-forno (OKUDA et al 3);

Reatividade: a maior reatividade do Carvão Vegetal leva a uma menor 

região do alto-forno onde as reações ocorrem praticamente sem consumo 

de combustível o que pode implicar no aumento do consumo de 

combustível quando o coque é substituído pelo carvão

FUNDENTE

Tem a função de se combinar com as impurezas do 

minério de ferro e com as cinzas do carvão, formando a 

escória.      Reduz 

a temperatura de fusão e forma uma escória de baixa 

densidade que sobre nada o banho, protegendo o metal 

líquido e facilita a sua retirada.

O principal fundente é o CALCÁRIO (CaCO

).

Sinterização

Fino do

Minério de Ferro

+

Calcário

= SÍNTER

Aquecimento a 1300ºC

FORNOS PARA COQUEIFICAÇÃO

Carvão mineral

1300°C, durante 16 horas sem contato com o ar

Produtos carboquímicos: alcatrão

amônia

BTX bruto, BTX (Benzeno, Tolueno e Xileno)

Coque

metalúrgico

P rocesso de produção do aço Operação de Desfornamento da Coqueira (Arquivo COSIPA)

Refino do BTX

OUTRAS MATÉRIAS-PRIMAS

MANGANÊS: é utilizado tanto no alto-forno (na forma de minério), como no processo de fabricação do aço (como liga ferro-manganês). FUNÇÃO: Elemento DESOXIDANTE e DESSULFURANTE.

Alto-Forno

O alto-forno não produz aço, mas um produto líquido chamado ferro-gusa. O ferro-gusa pode conter até 4,5%C, 1,7%Mn, 0,3%P, 0,04%S e 1,5%Si.

Regeneradores Zona de combustão: 2.000°C 2C + O₂  2CO Gases de Escapamento: 250°C Zona de Fusão: 1.550°C Zona de Redução: 700°C Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3CO₂ GALO DA MADRUGADA 30 m

17

ALTO-FORNO - AÇOMINAS

Alto-Forno: Escória e Ferro-gusa

96,07%

Composição química do Gusa: Ferro = 93,8% mínimo Carbono = 3,5 a 4,0% Manganês =  1,0% Silício =  1,0% Enxofre = 0,04 a 0,06% Fósforo = 0,1%

Composição química da Escoria: SiO₂ – 29 a 38% Al₂O3 – 10 a 22% CaO + MgO – 44 a 48% FeO + MnO – 1 a 3% CaS – 3 a 4% Escória 

Esquema mostrando o percurso do gusa líquido até o convertedor

Conversor LD (ou BOF), com sopro de oxigênio por cima e Conversor Q-BOP com sopro de oxigênio pelo fundo.

Conversore sendo carregado com gusa líquido

O ferro gusa oriundo do alto-forno é transformado em aço na ACIARIA.

USINA INTEGRADA A COQUE - Aciaria LD (Linz-Donawitz

)

Conversor posição de carga

BOP = “Basic Oxigen Proccess” ou

“Processo Básico a Oxigênio”

Revestimento básico: Dolomita ou magnesita

Refino secundário moderno

Convertedor LD

Forno Panela Desgaseificador a Vácuo (RH)

Lingotamento contínuo

Processo Siderúrgico – Usina Integrada

Sinterização (1300ºC) Laminação Produtos Laminados  Fonte: http://www.ibs.org.br/siderurgia_usos_fluxo.asp

OBTENÇÃO DO AÇO - PROCESSO DE REDUÇÃO DIRETA

Aquecimento entre 950ºC e 1050ºC Na presença de uma substância redutora

Oxido de Ferro Fe₂O₃ ou Fe₂O₄

Massa escura e porosa “Ferro Esponja” (substitui o Ferro Gusa)

Processo não tem produto intermediário (ou seja não produz gusa)

O produto sai com baixo C

Eliminando grande parte da oxidação.

CH₄

Redução Direta

Produz ferro metálico na forma sólida, chamado ferro-esponja ou DRI (Direct Reduced Iron)

INDÚSTRIA SIDERÚRGICA

Minério

Red. Indiretaferro gusa  aço  laminação

Red. Direta

ferro esponja

Matérias-primas

 Aço  laminação

(sucata, gusa ou esponja)

SUCATA PICOTADA

Para poder carregar a sucata no forno elétrico a arco, a sucata deve

ter o seu tamanho reduzido: usa-se para isso desde o corte com

maçarico até um equipamento chamado Shredder, que é um grande

picotador de aço.

Triturador SHREDDER : Capacidade 120t/h

Sistema de Separação de Não-Ferrosos ED01

Este efeito de Lenz explica o que ocorre na seletividade do ED01 para com materiais amagnéticos.

Como o tambor magnetizado pode ser tratado como a fonte indutora, os metais amagnéticos são tratados como induzidos.

Assim, ambos terão o mesmo tipo de pólo durante a indução, o que permitirá que os metais se repilam ao invés de se atraírem, o que ocorreria se possuíssem pólos opostos.

Fig. Operação com fenômeno Eddy Current. Fonte: Mastermag Integrated Recycling System.

Este efeito é definido pela Lei de Lenz

que diz que a força eletromotriz

induzida produz um campo magnético que tende a se opor ao campo

Aciaria elétrica – usina semi-integrada

Aciaria elétrica – usina semi-integrada

Forno Panela Forno Elétrico

Descarburação

Desfosforação

Rinsagem: Agitação através do borbulhamento de um gás inerte.

65% das inclusões são eliminadas pelo processo de rinsagem (agitação) com gás argônio. Produtos da reoxidação tendem a formar inclusões ricas em óxidos FeO e MnO, por exemplo.

ACIARIA: FORNO ELÉTRICO FORNO-PANELA

Cestão Cestão  (Refino primário)  (Refino secundário) Dessulfuração Desoxidação (desgaseificação)

IMPUREZAS DOS AÇOS

Impurezas nocivas:

Fósforo (P)

 produz a fragilidade a frio

Enxofre (S)

 produz a fragilidade a

quente

Elemento de liga importante na aciaria:

      Ferro-liga, Fe-Mn

Manganês (Mn) = Desoxidante e

Dessulfurante

Em lugar de Fe-S (T

= 1.000ºC)

 Mn-S (T

= 1.600ºC).

Em ligar de Aços Efervescentes

 Aços Acalmados

(mas c/inclusões).

DESOXIDAÇÃO DOS AÇOS

Aço efervescente

– Oxigênio em 

solução, bolhas, CO e CO

.

Aço acalmado – Desoxidado.

Desoxidantes

: Ferro-Silício, 

Alumínio e Ferro-Manganês.

Resultado da desoxidação

:

Formação de 

Inclusões

, 

compostos 

sólidos em lugar gases, que durante a 

laminação ficam alinhados segundo a 

direção de laminação. 

O excesso de inclusões prejudica a 

ductilidade dos aços na direção 

transversal e na direção da espessura 

( decoesão lamelar). 

Processos de Refino Secundário:

Desgaseificação dos aços

Fonte: Colpaert

Em função de problemas causados pelo hidrogênio no aço. Foram desenvolvidos tratamentos do aço sob vácuo, visando principalmente a redução do teor de hidrogênio.

TEOR EM “H” DISSOLVIDO

• _{Zona fundida Transformações associadas à fusão:}

• _{Volatilização}

• _{Reações químicas} • _{Absorção de gases}

A SOLDAGEM EQUIVALE A UMA MINI ACIARIA

Adição de Ferro-Liga: Fe-Mo, Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-Ni

ACIARIA

FORNO ELÉTRICO

SOLDAGEM

ELETRODO REVESTIDO

COLETA E ANÁLISE DE AMOSTRA DE AÇO

Cortesia Gerdau Aços Longos S.A.

A checagem da composição é feita por meio da

coleta de amostra e análise no espectrômetro de

emissão ótica para análise química das

amostras e de escórias.

Com a composição química e a temperatura

ANÁLISES QUÍMICAS

Análise Química Instrumental – Emissão Ótica Análise Química por Via Úmida

Análise Química por Combustão

LINGOTAMENTO CONTÍNUO

Distribuidor 

Reaquecimento do lingote para a laminação

Forno de Reaquecimento

Cortesia Gerdau Aços Longos S.A. Tarugos no pátio esfriando enquanto

aguarda a entrada no laminador

Fonte: SIDERÚRGICA  AÇONORTE

Laminação entrada – 4m (lingote)

Gerdau saída – 1600m (vergalhão)

Sucata ... .... em 2012 R$300,00/t

Custo do lingote ... R$ 430,00/t

Custo da laminação ..R$ 40,00/t

Custo total

 R$ 470,00/t

Venda

 R$ 600,00/t

LAMINAÇÃO A QUENTE

Oxidação superficial causada pela elevada temperatura

Carepas na superfície do tarugo de aço (esquerda)

e carepas eliminadas pelo processo (direita

Laminação a quente com cilindros com ranhuras:

Barras e Perfis

Laminação

a quente

Laminação

a frio



= 7,873 g/cm

PERFIS  Peso Linear (kg/m)

LAMINAÇÃO DE INCLUSÕES

bruta de fusão com inclusões esféricas Chapas Laminadas: Grãos, inclusões e Segregações são alongadas segundo a direção de laminação DL

Produtos da aciaria e lingotamento contínuo: Lingotes com inclusões devido o processo de desoxidação do aço.

Produtos Laminados: Chapas com inclusões alongadas segundo a direção de laminação

(ANISOTROPIA)

DL Inclusões

TRINCA INTERLAMELAR OU DECOESÃO LAMELAR

Solução: Fazer um “amanteigamento” (“buttering”), ou seja depositar uma ou mais camadas de material dúctil na superfície do material sensível a trinca, antes da soldagem de união propriamente dita.

THERMEX/TEMPCORE

FABRICAÇÃO

O GG-50 Soldável é um vergalhão, do tipo CA50-A, obtido da laminação a quente de tarugo de aço produzido em lingotamento contínuo. Após último

passe de laminação, o produto é submetido a um resfriamento à água capaz de reduzir bruscamente a temperatura da superfície (fig. A).

O núcleo da barra permanece suficientemente quente para reaquecer a superfície endurecida e promover o seu revenimento (fig.B).

O resultado final é um produto com núcleo tenaz e superfície temperada e revenida, de alta resistência mecânica e excelente ductilidade (fig.C)

(A) (B) (C) Laminador Resfriamento Produto

acabado

A recent Thermex  installation in India

C - estrutura martensítica B - estrutura intermediária A - estrutura perlita + ferrita

Faixa Química para CA50 e GG-50 SOLDÁVEL

QUALIDADE

CHAPAS FINAS A QUENTE E A FRIO

Chapas finas a quente (CFQ)

Espessura mínima 1,50mm

Espessura máxima 5,00mm

Chapas finas a frio (CFF)

Espessura mínima 0,60mm

Espessura máxima 2,30mm

CHAPAS GROSSAS (A QUENTE)

Chapas grossas (CG) e bobinas

Plates e Coils

Espessura mínima      6,00mm

Espessura máxima 100,00mm

CARAJÁS

Reserva: Dezoito bilhões de 

toneladas de minério de ferro.

Quantidade suficiente para 

abastecer o mundo nos 

próximos quinhentos anos.

Área: 11.500 quilômetros 

quadrados de área.

Localização: 550 km ao sul de 

Belém.

Fonte: Revista Metalurgia da ABM FEV. 1987 - VOL.43-Nº351. pag. 120

Quadrilátero Ferrífero é uma região localizada no centro-sul do 

estado de Minas Gerais, que é a maior produtora nacional de

minério de ferro. 60% de toda a produção nacional sai da região, que 

tem uma área de aproximadamente 7 mil quilômetros quadrados e 

abrange os municípios de Sabará, Santa Bárbara, Mariana, 

Congonhas, Ouro Preto, João Monlevade, Rio Piracicaba, Itaúna 

e Itabira, entre outros. Além do minério de ferro, também são 

extraídos do Quadrilátero Ferrífero, ouro e manganês.

QUAL A MELHOR REGIÃO PARA UMA SIDERÚRGICA?

USIMINAS – IPATINGA-MG

Foi a siderúrgica que construiu o aeroporto, os clubes recreativos, o zoológico, uma operadora de saúde, os colégios e os hospitais. Até os bairros foram desenhados de acordo com a hierarquia da empresa — há o da presidência, com seus casarões, e o bairro onde mora a turma do chão de fábrica

Colocação

em 2010

Pais

1º China 626,7

2º Japão 109,6 63,8 em Produtos

industrializados

3º Estados Unidos 80,5 80,1 em bens finais

4º Índia 68,3 60,6 em outros produtos

5º Rússia 35,7 35,7 em outros produtos

6º Coreia do Sul 58,4 52,4 em outros produtos

7º Alemanha 43,8

8º Ucrânia 33,4 5,5 em outros produtos

9º Brasil 32,9 8,6 em outros itens

10º Turquia 29,1