Siderurgia para Não Siderurgistas

Siderurgia para Não Siderurgistas

(Parte 1 de 9)

Marcelo Lucas Pereira Machado Engenheiro Metalurgista – UFF – RJ

Mestre em Engenharia Metalúrgica – PUC-RJ Pós-Graduado em Educação / Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFES

Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito

Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais

Vicente de Paulo Ferreira Marques Sobrinho Engenheiro Metalurgista, Especialista em Engenharia

Professor de Siderurgia do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais

Lúcio Flávio Arrivabene Engenheiro Metalurgista – UFOP – MG

Mestre em Engenharia Ambiental - UFES

Pós Graduado em Sistemas de Produção de Petróleo Offshore – COPPE - RJ

Pós-Graduado em Educação Escolar – FAESA

Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito

Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais Consultor Ambiental – Fundação Ecossistemas - ES

Vitória -ES 2003

O presente material didático serve como mais um instrumento do processo ensino aprendizagem visando fornecer uma visão geral dos processos siderúrgicos desde as matérias primas até os produtos finais (placa ou tira laminada a quente).

O curso Siderurgia Aplicada, objetiva, portanto, apresentar em linhas gerais e num curto espaço de tempo estimado de quarenta horas, uma visão geral dos processos siderúrgicos e das matérias primas; bem como os processos de redução direta e indireta, os processos de fabricação do aço e os processos de conformação mecânica de metais.

Durante a abordagem dos conteúdos, toma-se o cuidado para que não ocorra um aprofundamento do conhecimento teórico, dando-se ênfase aos aspectos tecnológicos do processo de produção de aço pela Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST, situada em Ponta de Tubarão, Espírito Santo.

A preocupação com o meio ambiente também é fator relevante e será enfocado em todas as etapas dos processos de produção. Fica claro que o assunto será abordado sempre do ponto de vista prático em consonância com os objetivos a serem atingidos pela empresa frente à comunidade como um todo.

Registra-se o agradecimento à Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST, à Direção Geral e servidores do CEFET/ES e aos demais colegas profissionais da área e em particular aos professores da Coordenação de Metalurgia e Materiais do CEFET/ES.

01 - Considerações Gerais07
01.1 -Histórico da Siderurgia07
01.2 - Conceitos Básicos09
01.3 - Principais produtos siderúrgicos09
01.3.1 - Diagrama de equilíbrio Ferro – Carbono10
01.4 - Classificação dos Aços12
01.5 - Importância dos produtos siderúrgicos13
01.6 - Fluxogramas de usinas siderúrgicas14
01.6.1 - Fluxograma reduzido de usinas integradas14
01.6.2 - Fluxograma da CBF15
01.6.3 - Fluxograma da Siderúrgica Belgo Mineirade Jardim América16
01.6.4 - Ciclo Operacional da CST16
01.7 - Fluxograma da CST19
02 - Visão geral das matérias primas20
2.1 - Introdução20
2.2 - Matérias primas para Sinterização e Alto Forno20
2.2.1 - Classificação das matérias primas20
2.2.1.1 - Minérios de Ferro20
2.2.2 - Características dos Minérios de Ferro para Sinterização21
2.2.2.1 - Características Físicas21
2.2.2.2 - Características Químicas2
2.2.3 - Características dos Minérios de Ferro para Alto Forno2
2.2.3.1 - Características Físicas dos Minérios de Ferro para Alto Forno23
Fundentes23
2.2.5 - Matérias primas de Geração Interna23
2.2.6 - Adições24
2.2.7 – Pelotas de minério de ferro24
2.3 - Carvão Mineral e Vegetal26
2.3.1 - Origens e Geologia26
2.3.2 - Variedades de Carvões27
03 - Preparação das matérias primas30
03.1 - Recebimento das matérias primas30
03.2 - Britação30
03.3 - Moagem30
03.4 - Peneiramento30
03.5 - Calcinação31
03.6 - Coqueria3 2
03.6.1- Fluxograma da Coqueria da CST32
03.6.2 - Preparação da mistura de carvões3
03.6.3 - Enfornamento3
03.6.4 - Aquecimento/Coqueificação36
03.6.5 - Desenfornamento38
03.6.6 - Apagamento38
03.6.6.1 - Apagamento a úmido38
03.6.6.2 - Apagamento a seco39
03.6.7 - Preparação do coque41

SUMÁRIO 2.2.4 - 4

03.7 - Sinterização43
03.7.1 - Princípio da sinterização43
03.7.2 - Movimento da frente de combustão43
03.7.3 – Reações durante a sinterização4
03.7.4 - Fluxograma de uma sinterização45
03.7.5 - Máquinas de sinterização46
03.7.6 - Preparação do sínter47
04 - Processos de redução dos minérios de ferros48
04.1 - Processos de redução direta48
04.2 - Processos de redução indireta50
04.2.1 – Alto forno50
04.2.1.1 - Ferro gusa e subprodutos51
04.2.1.2 - Impactos ambientais gerais causados pela escória52
04.2.1.3 - Corpo principal do Alto Forno54
04.2.1.4 – Aspectos internos do Alto Forno54
04.2.1.5 - Periféricos do Alto Forno59
05 - Dessulfuração na CST6
05.1 – Reações na dessulfuração6
06 - Produção do aço no convertedor68
06.1 -Processos de sopro pneumático68
06.1.1 - Processos de sopro a oxigênio69
06.1.1.1 - Convertedor LD71
06.1.1.2 - Convertedor LD-KGC75
06.1.1.3 - Convertedor K-BOP e Q-BOP76
07 - Refino secundário7
07.1 - Definição7
07.2 - Classificação dos processos78
08 - Lingotamento Contínuo83
08.1 - Características83
08.2 - O processo de lingotamento contínuo84
08.3 - Operação85
08.4 - Importância do controle do processo nas propriedades metalúrgicas87

03.6.8 - Tratamento das matérias voláteis.................................. ..................................41 08.5 – Comparação entre os rendimentos no lingotamento convencional e contínuo...8

09 - Fornos de Aquecimento89
09.1 - Classificação dos fornos de reaquecimento90
09.1.1 - Fornos descontínuos ou intermitentes90
09.1.2 - Fornos contínuos91
09.2 - Produção93
10 - Laminação95
10.1 - Definições dos produtos laminados97
10.1.1 - Classificação dos produtos semi-acabados98
10.1.2 - Classificação dos produtos acabados98
10.2 - Classificação dos laminadores100
10.4 – Laminação a quente112
10.4.1 – Laminação de tiras a quente114
10.4.2 - Aspéctos metalúrgicos na laminação da laminação a quente120
1 - Consumo de energia elétrica numa usina siderúrgica127
12 - Referências bibliográficas128

10.3 - Órgãos mecânicos de um laminador.................................. ...............................107 6

01 - CONSIDERAÇÕES GERAIS 01.1— HISTÓRICO DA SIDERURGIA

Provavelmente, o cobre nativo foi o primeiro metal empregado pelo homem na fabricação de utensílios.

A obtenção de ferro metálico, provavelmente, veio a ocorrer apenas no período neolítico, quando o carvão usado nas fogueiras protetoras das cavernas habitacionais reduziram o solo de minério de ferro a ferro primário, que, posteriormente, era elaborado e conformado.

Certamente, o país que mais se destacou na história da siderurgia foi a Inglaterra. A extração de ferro metálico nesse país remota a 400 AC e a obtenção de ferro gusa em alto forno a coque ocorreu no século XVIII.

Por ser abundante e suas ligas possuírem propriedades adaptáveis a quase todas as condições requeridas, logo o ferro se tornou o metal mais empregado. Desde então, a metalurgia passou a se dividir em siderurgia e metalurgia dos não ferrosos.

A siderurgia se tornou tão importante que passou a servir de padrão medidor do desenvolvimento das nações. Desde então, são consideradas fortes as nações dotadas de elevadas capacidades de produzir e/ou comercializar produtos siderúrgicos e seus insumos.

Logo após a descoberta do Brasil pelos portugueses, ocorreu por aqui enorme procura pelos metais. Em 1554 o Padre Anchieta relatou à Corte Portuguesa a existência de ferro e em 1587 Afonso Sardinha iniciou a produção de ferro na Freguesia de Santo Amaro, São Paulo.

Mais tarde foram descobertas as grandes jazidas de ferro das Minas Gerais, pensandose, na ocasião, que eram reservas inesgotáveis, a ponto de uma pessoa ilustre denominar Minas Gerais de peito de ferro das Américas. Apesar de tão grande potencial, Portugal impediu o desenvolvimento da siderurgia brasileira durante o período colonial.

Durante o período do Brasil Império, ocorreram algumas iniciativas importantes relacionadas com a produção de metais, porém, não consolidaram.

Um fato histórico notável foi a entrada do Brasil na Segunda grande guerra, no bloco dos Aliados, quando recebemos acessoria americana para a implantação da CSN, empresa que consolidou nosso país como produtor de aço.

A consolidação do parque siderúrgico nacional foi liderado pela SIDERBRÁS durante o governo militar, que construiu e ampliou as grandes usinas siderúrgicas estatais para darem sustentação a todo o parque industrial brasileiro. Entre elas destaca-se a CSN, COSIPA, USIMINAS, Cia. Ferro e Aço de Vitória, CST e AÇOMINAS. A seguir mostraremos algumas figuras que ilustram esse período histórico.

Fig.1.1 – Tipo de forja Catalã usada por Fernando sardinha em 1587 Fig.1.2 – Perfil de um forno Catalão

Fig.1.3 – Forja Catalã acionada por foles manuais, da Idade Média.

Fig.1.4 – Alto forno de 1640, com acionamento hidráulico. Os fornos eram construídos juntos de barrancos para permitir o carregamento pelo topo por carrinhos de mão.

Fig.1.5 – Foto de um alto forno americano do século XVII, com foles acionados por roda d’água.

01.2 - CONCEITOS BÁSICOS

METALURGIA: é a arte de extrair do(s) minério(s) o(s) metal(is),elaborá-lo(s) e conformá-lo(s) com o fim de produzir os objetos necessários à humanidade.

DIVISÃO DA METALURGIA: A metalurgia pode ser dividida em siderurgia e metalurgia dos não ferrosos.

SIDERURGIA: É a metalurgia do ferro e suas ligas.

METALURGIA DOS NÃO FERROSOS: É a metalurgia dos outros metais, como do alumínio e suas ligas, do cobre e suas ligas, do ouro, etc.

01.3 - PRINCIPAIS PRODUTOS SIDERÚRGICOS Os produtos siderúrgicos se dividem em duas famílias principais, os aços e os ferros fundidos.

A melhor maneira de se entender a diferença entre aços e ferros fundios é fazermos uma rápida análise do diagrama ferro-carbono.

01.3.1 - DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO – CARBONO

Esse diagrama é geralmente apresentado até 6,7% de carbono, porque este elemento forma com o ferro o composto Fe3C (cementita) que é extremamente duro e contém, aproximadamente, 6,7% de carbono.

Fig.1.6 – Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono

Como pode ser visto no diagrama Fe-C., o ferro puro (isento de carbono), apresenta-se até 912oC sob a forma alotrópica alfa (α) e acima de 912oC até 1354oC no estado alotrópico (γ). Essas formas alotrópicas se caracterizam por possuírem reticulados cristalinos diferentes para os átomos de ferro: o ferro α possui reticulado cúbico de corpo centrado (C) e o ferro γ possui reticulado cúbico de face centrada (CFC).

A fig.1.7 mostra os reticulados cristalinos dos átomos de ferro nas formas alotrópicas C e CFC. Observa-se que a estrutura C possui somente um átomo de ferro no centro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui átomos de ferro no centro das faces do reticulado.

EstruturaEstrutura C CFC

Fig.1.7 – Esquema mostrando as estruturas cristalinas cúbicas de corpo centrado C e de face centrada CFC.

Nota-se também no diagrama Fe-C que à medida o teor de carbono aumenta até o limite de 0,7%C obtêm-se a estrutura austenitica (Fe γ) a temperaturas cada vez mais baixas até o limite de 727oC. Esta faixa de teor de carbono de 0 a 0,7%C é onde se situa praticamente todos os aços comercialmente utilizados no mundo.

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