53252110-Siderurgia.pdf

SIDERURGIA

PARA NO

SIDERURGISTAS

Marcelo Lucas Pereira Machado Engenheiro Metalurgista UFF RJ

Mestre em Engenharia Metalrgica PUC-RJ Ps-Graduado em Educao / Aperfeioamento em Contedos Pedaggicos - UFES

Professor do Centro Federal de Educao Tecnolgica do Estado do Esprito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais

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

Professor de Siderurgia do Centro Federal de Educao Tecnolgica do Estado do Esprito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais

Lcio Flvio Arrivabene

Engenheiro Metalurgista UFOP MG Mestre em Engenharia Ambiental - UFES

Ps Graduado em Sistemas de Produo de Petrleo Offshore COPPE - RJ Ps-Graduado em Educao Escolar FAESA

Professor do Centro Federal de Educao Tecnolgica do Estado do Esprito Santo/ Coordenadoria de Metalurgia e Materiais

Consultor Ambiental Fundao Ecossistemas - ES

Vitria -ES 2003

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APRESENTAO O presente material didtico serve como mais um instrumento do processo ensino aprendizagem visando fornecer uma viso geral dos processos siderrgicos desde as matrias primas at os produtos finais (placa ou tira laminada a quente). O curso Siderurgia Aplicada, objetiva, portanto, apresentar em linhas gerais e num curto espao de tempo estimado de quarenta horas, uma viso geral dos processos siderrgicos e das matrias primas; bem como os processos de reduo direta e indireta, os processos de fabricao do ao e os processos de conformao mecnica de metais. Durante a abordagem dos contedos, toma-se o cuidado para que no ocorra um aprofundamento do conhecimento terico, dando-se nfase aos aspectos tecnolgicos do processo de produo de ao pela Companhia Siderrgica de Tubaro - CST, situada em Ponta de Tubaro, Esprito Santo. A preocupao com o meio ambiente tambm fator relevante e ser enfocado em todas as etapas dos processos de produo. Fica claro que o assunto ser abordado sempre do ponto de vista prtico em consonncia com os objetivos a serem atingidos pela empresa frente comunidade como um todo. Registra-se o agradecimento Companhia Siderrgica de Tubaro - CST, Direo Geral e servidores do CEFET/ES e aos demais colegas profissionais da rea e em particular aos professores da Coordenao de Metalurgia e Materiais do CEFET/ES.

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SUMRIO 01 - Consideraes Gerais.............................................................................................07 01.1 -Histrico da Siderurgia..........................................................................................07 01.2 - Conceitos Bsicos................................................................................................09 01.3 - Principais produtos siderrgicos...........................................................................09 01.3.1 - Diagrama de equilbrio Ferro Carbono...........................................................10 01.4 - Classificao dos Aos.........................................................................................12 01.5 - Importncia dos produtos siderrgicos.................................................................13 01.6 - Fluxogramas de usinas siderrgicas....................................................................14 01.6.1 - Fluxograma reduzido de usinas integradas.......................................................14 01.6.2 - Fluxograma da CBF..........................................................................................15 01.6.3 - Fluxograma da Siderrgica Belgo Mineirade Jardim Amrica..........................16 01.6.4 - Ciclo Operacional da CST.................................................................................16 01.7 - Fluxograma da CST.............................................................................................19 02 - Viso geral das matrias primas.............................................................................20 2.1 - Introduo...............................................................................................................20 2.2 - Matrias primas para Sinterizao e Alto Forno....................................................20 2.2.1 - Classificao das matrias primas......................................................................20 2.2.1.1 - Minrios de Ferro.............................................................................................20 2.2.2 - Caractersticas dos Minrios de Ferro para Sinterizao....................................21 2.2.2.1 - Caractersticas Fsicas.....................................................................................21 2.2.2.2 - Caractersticas Qumicas.................................................................................22 2.2.3 - Caractersticas dos Minrios de Ferro para Alto Forno.......................................22 2.2.3.1 - Caractersticas Fsicas dos Minrios de Ferro para Alto Forno.......................23 2.2.4 - Fundentes.......................................................................................................................23 2.2.5 - Matrias primas de Gerao Interna...................................................................23 2.2.6 - Adies................................................................................................................24 2.2.7 Pelotas de minrio de ferro.................................................................................24 2.3 - Carvo Mineral e Vegetal.......................................................................................26 2.3.1 - Origens e Geologia.................................. .............................. ............................26 2.3.2 - Variedades de Carves.......................................................................................27 03 - Preparao das matrias primas................................................... .........................30 03.1 - Recebimento das matrias primas.................................................... ..................30 03.2 - Britao.................................. .............................. .................................. ...........30 03.3 - Moagem.................................. ................................................................. ...........30 03.4 - Peneiramento.................................. ............................... ....................................30 03.5 - Calcinao.................................. .........................................................................31 03.6 - Coqueria.................................. ........................................... ................................32 03.6.1- Fluxograma da Coqueria da CST............................... .................................. ....32 03.6.2 - Preparao da mistura de carves............................... ....................................33 03.6.3 - Enfornamento.................................. .............................. ..................................33 03.6.4 - Aquecimento/Coqueificao................................ .................................. ..........36 03.6.5 - Desenfornamento................................ .................................. ..........................38 03.6.6 - Apagamento.................................. ...................................................................38 03.6.6.1 - Apagamento a mido................................ .................................. .................38 03.6.6.2 - Apagamento a seco.................................. .................................. ..................39 03.6.7 - Preparao do coque......................................................................... ..............41

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03.6.8 - Tratamento das matrias volteis.................................. ..................................41 03.7 - Sinterizao................................................................... .................................. ...43 03.7.1 - Princpio da sinterizao................................. .................................. ..............43 03.7.2 - Movimento da frente de combusto................................. ................................43 03.7.3 Reaes durante a sinterizao.................................. ....................................44 03.7.4 - Fluxograma de uma sinterizao................................. ....................................45 03.7.5 - Mquinas de sinterizao................................. .................................. .............46 03.7.6 - Preparao do snter................................. .................................. ....................47 04 - Processos de reduo dos minrios de ferros............................... ........................48 04.1 - Processos de reduo direta................................................................... ............48 04.2 - Processos de reduo indireta.............................................................................50 04.2.1 Alto forno............................... .................................. .......................................50 04.2.1.1 - Ferro gusa e subprodutos................................ .................................. ..........51 04.2.1.2 - Impactos ambientais gerais causados pela escria.......................................52 04.2.1.3 - Corpo principal do Alto Forno................................. .......................................54 04.2.1.4 Aspectos internos do Alto Forno.................................. .................................54 04.2.1.5 - Perifricos do Alto Forno............................... ................................................59 05 - Dessulfurao na CST................................................................... ........................66 05.1 Reaes na dessulfurao................................. .................................. .............66 06 - Produo do ao no convertedor............................................................................68 06.1 -Processos de sopro pneumtico.................................. ........................................68 06.1.1 - Processos de sopro a oxignio................................. .......................................69 06.1.1.1 - Convertedor LD.................................................................... .........................71 06.1.1.2 - Convertedor LD-KGC.................................. .................................. ...............75 06.1.1.3 - Convertedor K-BOP e Q-BOP.................................. .....................................76 07 - Refino secundrio............................... .................................. .................................77 07.1 - Definio.................................................................... .................................. .......77 07.2 - Classificao dos processos.............................. .................................................78 08 - Lingotamento Contnuo............................... .................................. ........................83 08.1 - Caractersticas................................ .................................. ..................................83 08.2 - O processo de lingotamento contnuo.................................. ...............................84 08.3 - Operao................................ .................................. ..........................................85 08.4 - Importncia do controle do processo nas propriedades metalrgicas.................87 08.5 Comparao entre os rendimentos no lingotamento convencional e contnuo...88 09 - Fornos de Aquecimento................................ .................................. ......................89 09.1 - Classificao dos fornos de reaquecimento................................. .......................90 09.1.1 - Fornos descontnuos ou intermitentes............................... ..............................90 09.1.2 - Fornos contnuos.................................. .................................. .........................91 09.2 - Produo.................................. ................................ .................................. .......93 10 - Laminao.................................................................... ..........................................95 10.1 - Definies dos produtos laminados.................................. ...................................97 10.1.1 - Classificao dos produtos semi-acabados................................. ....................98 10.1.2 - Classificao dos produtos acabados.................................. ............................98 10.2 - Classificao dos laminadores...........................................................................100

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10.3 - rgos mecnicos de um laminador.................................. ...............................107 10.4 Laminao a quente..........................................................................................112 10.4.1 Laminao de tiras a quente............................... ..........................................114 10.4.2 - Aspctos metalrgicos na laminao da laminao a quente.........................120 11 - Consumo de energia eltrica numa usina siderrgica..........................................127 12 - Referncias bibliogrficas............................... .................................. ..................128

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01 - CONSIDERAES GERAIS 01.1 HISTRICO DA SIDERURGIA Provavelmente, o cobre nativo foi o primeiro metal empregado pelo homem na fabricao de utenslios. A obteno de ferro metlico, provavelmente, veio a ocorrer apenas no perodo neoltico, quando o carvo usado nas fogueiras protetoras das cavernas habitacionais reduziram o solo de minrio de ferro a ferro primrio, que, posteriormente, era elaborado e conformado. Certamente, o pas que mais se destacou na histria da siderurgia foi a Inglaterra. A extrao de ferro metlico nesse pas remota a 400 AC e a obteno de ferro gusa em alto forno a coque ocorreu no sculo XVIII. Por ser abundante e suas ligas possurem propriedades adaptveis a quase todas as condies requeridas, logo o ferro se tornou o metal mais empregado. Desde ento, a metalurgia passou a se dividir em siderurgia e metalurgia dos no ferrosos. A siderurgia se tornou to importante que passou a servir de padro medidor do desenvolvimento das naes. Desde ento, so consideradas fortes as naes dotadas de elevadas capacidades de produzir e/ou comercializar produtos siderrgicos e seus insumos. Logo aps a descoberta do Brasil pelos portugueses, ocorreu por aqui enorme procura pelos metais. Em 1554 o Padre Anchieta relatou Corte Portuguesa a existncia de ferro e em 1587 Afonso Sardinha iniciou a produo de ferro na Freguesia de Santo Amaro, So Paulo. Mais tarde foram descobertas as grandes jazidas de ferro das Minas Gerais, pensando-se, na ocasio, que eram reservas inesgotveis, a ponto de uma pessoa ilustre denominar Minas Gerais de peito de ferro das Amricas. Apesar de to grande potencial, Portugal impediu o desenvolvimento da siderurgia brasileira durante o perodo colonial. Durante o perodo do Brasil Imprio, ocorreram algumas iniciativas importantes relacionadas com a produo de metais, porm, no consolidaram. Um fato histrico notvel foi a entrada do Brasil na Segunda grande guerra, no bloco dos Aliados, quando recebemos acessoria americana para a implantao da CSN, empresa que consolidou nosso pas como produtor de ao. A consolidao do parque siderrgico nacional foi liderado pela SIDERBRS durante o governo militar, que construiu e ampliou as grandes usinas siderrgicas estatais para darem sustentao a todo o parque industrial brasileiro. Entre elas destaca-se a CSN, COSIPA, USIMINAS, Cia. Ferro e Ao de Vitria, CST e AOMINAS. A seguir mostraremos algumas figuras que ilustram esse perodo histrico.

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Fig.1.1 Tipo de forja Catal usada por Fernando sardinha em 1587

Fig.1.2 Perfil de um forno Catalo

Fig.1.3 Forja Catal acionada por foles manuais, da Idade Mdia.

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Fig.1.4 Alto forno de 1640, com acionamento hidrulico. Os fornos eram construdos

juntos de barrancos para permitir o carregamento pelo topo por carrinhos de mo.

Fig.1.5 Foto de um alto forno americano do sculo XVII, com foles acionados por

roda dgua. 01.2 - CONCEITOS BSICOS METALURGIA: a arte de extrair do(s) minrio(s) o(s) metal(is),elabor-lo(s) e conform-lo(s) com o fim de produzir os objetos necessrios humanidade. DIVISO DA METALURGIA: A metalurgia pode ser dividida em siderurgia e metalurgia dos no ferrosos. SIDERURGIA: a metalurgia do ferro e suas ligas. METALURGIA DOS NO FERROSOS: a metalurgia dos outros metais, como do alumnio e suas ligas, do cobre e suas ligas, do ouro, etc. 01.3 - PRINCIPAIS PRODUTOS SIDERRGICOS Os produtos siderrgicos se dividem em duas famlias principais, os aos e os ferros fundidos.

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A melhor maneira de se entender a diferena entre aos e ferros fundios fazermos uma rpida anlise do diagrama ferro-carbono. 01.3.1 - DIAGRAMA DE EQUILBRIO FERRO CARBONO Esse diagrama geralmente apresentado at 6,7% de carbono, porque este elemento forma com o ferro o composto Fe3C (cementita) que extremamente duro e contm, aproximadamente, 6,7% de carbono.

Fig.1.6 Diagrama de Equilbrio Ferro-Carbono

Como pode ser visto no diagrama Fe-C., o ferro puro (isento de carbono), apresenta-se at 912oC sob a forma alotrpica alfa () e acima de 912oC at 1354oC no estado alotrpico (). Essas formas alotrpicas se caracterizam por possurem reticulados cristalinos diferentes para os tomos de ferro: o ferro possui reticulado cbico de corpo centrado (CCC) e o ferro possui reticulado cbico de face centrada (CFC). A fig.1.7 mostra os reticulados cristalinos dos tomos de ferro nas formas alotrpicas CCC e CFC. Observa-se que a estrutura CCC possui somente um tomo de ferro no

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centro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui tomos de ferro no centro das faces do reticulado.

Estrutura Estrutura CCC CFC

Fig.1.7 Esquema mostrando as estruturas cristalinas cbicas de corpo centrado CCC

e de face centrada CFC.

Nota-se tambm no diagrama Fe-C que medida o teor de carbono aumenta at o limite de 0,77%C obtm-se a estrutura austenitica (Fe ) a temperaturas cada vez mais baixas at o limite de 727oC. Esta faixa de teor de carbono de 0 a 0,77%C onde se situa praticamente todos os aos comercialmente utilizados no mundo. Os tomos de carbono ocupam os espaos vazios dos reticulados de tomos de ferro e como pode ser observado na fig.1.6, a fase austentica (estrutura CFC) tem capacidade para absorver mais carbono do que a fase ferrtica (estrutura CCC). A estrutura CFC devido ao seu formato de empilhamento muito mais fcil de ser deformado do que a estrutura CCC. Desta forma, para se laminar a quente um ao, deve-se primeiro alcanar a estrutura austentica, ou seja: conforme o teor de carbono, aquecer o ao em torno de 800 a 880oC, para em seguida fazer a deformao no laminador. Desta forma, economiza-se energia, equipamentos, tempo, e viabiliza economicamente o produto alm de poder conferir boas propriedades mecnicas e metalrgicas ao ao posteriormente ou durante a laminao. Para se ter uma idia da facilidade de deformao de um metal com estrutura cristalina CFC, o chumbo um material que possui esta estrutura na temperatura ambiente e o ferro por outro lado, na temperatura ambiente possui estrutura CCC. Como o ao um material produzido para ser deformado, ele deve no aquecimento produzir uma estrutura totalmente austentica, ou seja, deve possuir teor de carbono inferior a 2%, como pode ser visto no diagrama Fe-C. Apesar de na prtica, os aos comerciais no ultrapassam a 0,8%. Por outro lado, os ferros fundidos so produzidos j no formato da pea final, portanto no sofrero deformaes posteriores, o seu teor de carbono est acima de 2%. Ento, por definio os aos so produtos siderrgicos com menos de 2%C, usualmente, obtidos em convertedores pelo refino do ferro gusa. Existem centenas de tipos de aos, podendo-se destacar as seguintes famlias: Aos carbono comuns, Aos micro-ligados, Aos ligados de baixa liga, Aos de alta liga: Inoxidveis ferrticos, inoxidveis austenticos, para ferramentas e matrizes, etc.

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Os ferros fundidos so produtos siderrgicos primrios, geralmente, produzidos em altos fomos. Teoricamente seu teor de carbono est acima de 2%; contudo, na prtica a maioria dos ferros fundidos tem de 4 a 4,3%C. Exemplos de ferros fundidos: Ferros fundidos brancos, ferros fundidos cinzentos, ferros fundidos maleabilizados, ferros fundidos nodulares, etc. 01.4 - CLASSIFICAO DOS AOS Os aos podem ser classificados com base em diferentes parmetros, tais como dureza, aplicaes, normas tcnicas, etc. De acordo com a dureza, os aos se dividem nos seguintes grupos:

Aos extra-doces: Abaixo de 0,15%C, Aos doces: 0,15 a 0,30%C, os meio-doces: 0,30 a 0,40%C, Aos meio-duros: 0,40 a 0,60%C, Aos duros: 0,60 a 0,70%C, e Aos extra-duros: Acima de 0,70%C.

Como se pode deduzir pelos dados acima, as durezas dos aos dependem dos seus respectivos teores de carbono. H dezenas de normas tcnicas sendo que so usadas na classificao dos aos, contudo, nesse trabalho, citaremos apenas alguns exemplos da classificao de aos pela ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas). Parte da Tabela da ABNT Tipo do Ao Classe Ao carbono comum I0XX Ao nquel (3,5%) 23XX Ao Nquel-cromo 3YXX Ao cromo(0,95%)-molibdnio(0,2%) 41XX Ao cromo 51XX Outros Pela ABNT, os dois primeiros dgitos indicam o(s) elemento(s) de liga existente(s) no ao, alm do carbono. O nmero decimal expresso na posio do XX se refere porcentagem de carbono contido pelo ao. Exemplos: Ao ABNT 1010: ao carbono comum com aprox. 0,1%C. Ao ABNT 1045: ao carbono comum com aprox. 0,45%C. Ao ABNT 4140: ao com aprox. 0,95%Cr-0,2%Mo-0,4%C. Como foi dito anteriormente, existem muitas normas usadas na classificao dos produtos siderrgicos, portanto, necessrio t-las em mo ao proceder a classificao, para evitar o registro de enganos.

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01.5 IMPORTNCIA DOS PRODUTOS SIDERRGICOS O xito alcanado pelos produtos siderrgicos se deve a vrios fatores, dentre os quais citaremos alguns, sem desmerecer os demais. Baixo preo: O preo dos produtos siderrgicos insupervel pelos demais que tenham caractersticas semelhantes, o que lhes confere elevada competitividade. Exemplos:

Lingotes de ferro gusa: R$220,00It Placas de ao carbono: R$450,00It Chapas de ao carbono: R$1.200,00It Chapas de ao inox. Ferrtico: R$6.000,00It Chapas de ao inox. Austentico: R$13.000,00It Chapas de alumnio: R$12.000,00/t Chapas de alumnio ligado: R$30.000,00It Chapas de cobre: R$15.000,00It

Propriedades Versteis: possvel conferir ao produto siderrgico as propriedades necessrias, sem onerar muito o custo de produo. Exemplos: Um ao ABNT 1080 pode adquirir diferentes durezas pela aplicao de tratamentos trmicos corretos:

- Esferoidizado: 100HB - Plenamente recozido: 200HB - Temperado: 65RC (acima de 650HB, por comparao)

O ao carbono comum possui os inconvenientes de oxidar-se e ser atacado por cidos, contudo, pela adio de alto cromo pode se transformar no ao inoxidvel ferrtico que no oxida e, ainda, pelas adies de cromo e nquel, forma os aos inoxidveis austenticos que so passivos oxidao e a ao de cidos. Matrias Primas Abundantes: O esgotamento das jazidas de ferro est previsto para quatro sculos. Domnio da Tecnologia Siderrgica: Nenhum metal ainda to conhecido quanto o ferro. Poltica Administrativa: Toda nao que espera prosperar deve possuir, bem elaborada, uma poltica de produo e comercializao de produtos siderrgicos, caso contrrio, ter grandes dificuldades em seu desenvolvimento e, at mesmo sobrevivncia como nao. Agregao de Valor ao Minrio: Para que uma nao prospere, no basta que tenha grandes reservas minerais, as explore e venda seus minrios; pois, seus preos so muito baixos no mercado mundial. prefervel extrair os metais, produzir ligas, conform-las e, ento, vender os produtos obtidos. Os preos dos minrios de ferro e dos produtos siderrgicos comprovam esse fato. A CST compra anualmente aproximadamente 7.000.000t de sinter feed pelo valor estimado de R$210.000.000.00 e pode arrecadar com a exportao de suas placas a quantia de R$1.800.000.000,00. Como se pode deduzir, nesse caso, h uma ampliao

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de receita acima de R$1.500.000.000,00, alm de solucionar parte do problema do desemprego. 01.6 - FLUXOGRAMAS DE USINAS SIDERRGICAS Fluxograma uma representao grfica que indica o caminho percorrido pelas matrias primas, suas transformaes e, finalmente, a entrega dos produtos que se prope produzir. As usinas siderrgicas podem ser integradas, semi-integradas e no-integradas. As usinas siderrgicas integradas adquirem as matrias primas no estado bruto, executam todas as fases do processo industrial e vendem os produtos acabados. Em princpio, quanto maior for o grau de integrao de uma usina, mais competitivo se tomam seus produtos no mercado. Geralmente, so usinas de grande porte, que exigem investimento muito elevado antes de entrarem em operao. Quando no h capital suficiente, uma usina pode iniciar sua produo como usina no integrada e, medida que vai aumentando seu capital, pode passar a semi-integrada e, finalmente, totalmente integrada. 01.6.1 - FLUXOGRAMA REDUZIDO DE USINAS INTEGRADAS

Produto final acabado

Conformao

Elaborao

Extrao do metal

Preparao das matrias primas

Matrias Primas Minrios, carves, fundentes, etc

Sinterizao, pelotizao, etc

Alto-forno, etc

Aciaria, refino secundrio, etc Ling. contnuo, laminao, fundio Perfiz, vergalhes, Tiras, chapas

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Matrias Primas da Siderurgia: Minrios de ferro, carvo vegetal, carves minerais, fundentes (calcrio, dolomita, etc.), sucatas, Oxignio, combustveis, ferro-ligas e outros.

Operaes de Preparao das Matrias Primas: Britagem, peneiramento, moagem, coqueria, sinterizao, pelotizao, calcinao, dessulfurao e outros.

Extrao: A extrao do ferro geralmente feita por fuso redutora em altos fomos a carvo vegetal ou a coque, sob temperaturas muito elevadas, quando os minrios de ferro so transformados em ferro gusa lquido e escria. A extrao do ferro tambm pode ser feita em forno eltrico a arco e por um dos processos de reduo direta.

Aciaria: A aciaria tem a finalidade de produzir aos, podendo usar como matrias primas principais ferro gusa e/ou sucata ferrosa, alm da cal, oxignio e outros.

Conformao: Os processos de conformao visam conferir ao metal ou liga as formas que os produtos devem Ter, podendo ser por fundio, forjamento, laminao, trefilao, extruso, estampagem e outros.

Principais Produtos: Peas fundidas (blocos de motores, etc.), peas forjadas (ferramentas, machado, etc.), chapas, tiras, vergalhes, etc.

01.6.2 - FLUXOGRAMA DA CBF: Se trata de uma usina siderrgica no integrada que reduz minrio de ferro em alto fomo a carvo vegetal, produzindo ferro gusa, que vendido para fundies e aciarias.

Escria

Poeiras e gases

vendas

Gusa lquido

Gusa slido

Ar

Fundentes Carvo vegetal Minrio granulado

ALTO FORNO

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01.6.3 - FLUXOGRAMA DA SIDERRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMRICA Trata-se de uma usina siderrgica no integrada que produz perfiz de ao, usando o ao obtido em aciaria a arco eltrico, que utiliza como matrias primas principais sucatas ferrosa, alm de ferro gusa, cal, ferro-ligas e outros.

Laminao

Perfiz e vergalhes Trefilao

Lingotes

Lingotamento contnuo

Ao lquido

Poeiras e gases

Escria Aciaria Eltrica

Ferros-ligas Gusa Fundentes Oxignio Sucata 01.6.4 - CICLO OPERACIONAL DA CST Normalmente, uma usina siderrgica integrada como a CST, constituda, alm do Alto Forno para a produo de ferro gusa, de outras unidades beneficiam as matrias primas bsicas utilizadas no processo, unidades que produzem insumos para consumo em outras unidades e unidades que completam o processo, dando como resultado final o ao, constitudo elementos acabados ou semi-acabados, como o caso da CST, que produz placas grossas de ao para utilizao em outras usinas de beneficamento e laminados de tiras a quente. As principais unidades que compem a CST so: Ptio de estocagem e mistura de carvo para a produo de coque;

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Ptio de estocagem de minrio e fundentes onde ocorre a produo da mistura dos materiais necessrios produo de sinter consumido no Alto Forno. Alternativamente utilizao do sinter, pode-se ter o consumo de pelotas capaz de substituir o sinter em parte ou integralmente;

Coqueria que produz o coque para a composio de carga do Alto Forno

juntamente com minrio de ferro, sinter e/ou pelotas; A coqueria gera alguns efluentes slidos, lquidos e gasosos, que so

reaproveitados em sua quase totalidade no prprio processo. Um desses efluentes o COG - gs de coqueria, que um rico a combustvel utilizados em vrias unidades da usina, principalmente no Alto Forno;

O processo pode substituir, em parte, o coque por carvo pulverizado, que

injetado na parte inferior do Alto Forno (na regio das ventaneiras). Este ser o caso do Alto Forno II, que consumir grande parte de carvo pulverizado que ser produzido na unidade de PCI;

Sinterizao, que a unidade de produo do sinter consumido no Alto Forno como

o caso atual da CST. O sinter produzido na mquina de sinter utilizando minrio de ferro bitolado, minrio de mangans, fundente constitudo de finos de calcrio e combustvel constitudo de finos de coque e o COG, que tem tambm utilizado.

Utilidades: sob esta denominao so consideradas vrias unidades que produzem

insumos complementares para o consumo em outros unidades da usina. Desta forma, tem-se a casa de fora para a gerao de eletricidade, vapor e ar soprado, onde utilizado o gs do Alto Forno juntamente com o de coqueria (BFG+COG). Ainda sob denominao de utilidades, tem-se a unidade de fracionamento de ar, que produz oxignio e nitrognio utilizados em vrias unidades do processo industrial (Alto Forno, Sinterizao, Coqueria, Lingotamento, Dentre outras unidades). Estao de tratamento de gua (ETA) e recirculao, que promove o reaproveitamento, em circuito fechado, da maior parte da gua doce utilizada. Unidade de ar comprimido que alimenta vrias unidades com ar, tambm utilizado no processo de fracionamento de ar, tambm utilizado no resfriamento de vrios elementos envolvidos no processo industrial;

Calcinao, que utiliza o calcrio para produo de cal, consumida na Aciaria e na

Sinterizao; Aciaria, que produz o ao a partir do ferro gusa (processo de oxidao em

convertedores LD); Unidade de lingotamento ( contnuo ) que promove a moldagem do produto final

(placas) que podem ser enviadas para o cliente ou alimentar a laminao de tiras a quente.

Unidade de Laminao de Tiras a Quente, onde a placa aps reaquecimento em

forno de placa encaminhada ao trem de laminao a quente onde sofre a devida conformao, tendo como produto final a bobina de tira a quente, que pode ser utilizado como produto comercial, aps passar pela laminao de acabamento ou destinado para o cliente para alimentar o trem de laminao a frio.

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Sistema de lavagem e limpeza de gases utilizados nas demais unidades, cujos

gases apresentam nveis de contaminao que necessitam ser minimizados antes de serem utilizados no prprio processo (COG e BFG).

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01.7 FLUXOGRAMA DA CST.

Calcinao

Expedio Tiras

Placas

Lingotamento contnuo

Refino secundrio

Sucatas

Gases

Poeiras

Ao lquido

Escria

Ferro-ligas

Peas

Fundio

Convertedor

Dessulfurao

Gusa lquido

Gases

Poeiras

Cal

Ar

Oxignio

Alto-Forno

Calcrio Escria

Pelotas

Minrio granulado Coque Sinter

Matrias Volteis Coqueria Sinterizao

Carvo mineral Sinter feed

Laminao de tiras quente

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02 - VISO GERAL DAS MATRIAS PRIMAS. 2.1. INTRODUO A rea de matrias primas minerais de uma usina siderrgica corresponde etapa inicial de um ciclo produtivo, cujo produto final o ao. Neste contexto deve funcionar garantindo o suprimento destas matrias primas em qualidade, operacionalidade e custo. Podemos dizer que a qualidade e custo do produto final, em princpio, se comprometem nesta etapa inicial do processo siderrgico. 2.2. MATRIAS PRIMAS PARA SINTERIZAO E ALTO FORNO 2.2.1. Classificao das Matrias Primas As matrias primas minerais utilizadas no processo de reduo para obteno do ferro gusa, podem ser classificadas a princpio em minrios de ferro, fundentes , adies e materiais de gerao interna. Minrio de ferro - So aquelas portadoras do principal elemento que o ferro, normalmente este aparece combinado com o oxignio na forma de xido (composto qumico). Esta combinao pode ocorrer de vrias formas originando minrios de composio qumica e caractersticas diferentes como veremos mais adiante. Dentre eles pode-se citar: Hematita ( Fe2O3 ) e Magnetita ( Fe2O3 ) Fundentes So matrias primas utilizadas para reduzirem o ponto de fuso da ganga escorificando as impurezas introduzidas pelos minrios e dando condio para posterior retirada do produto desejado, no nosso caso o ferro gusa. Adies - So matrias primas portadora de elementos que, em menores propores, contribuem para se obter um determinado propsito, seja no produto, seja no processo. Como exemplo temos o minrio de mangans, a ilmenita etc. Materiais de gerao interna - So os materiais originados dentro da prpria usina cujo aproveitamento torna-se econmico sem prejudicar o processo de sinterizao, (cabe lembrar que sinterizar promover uma semi-fuso de uma mistura de minrios). Na maioria dos casos trata-se de resduos siderrgicos gerados na prpria usina e que podem gerar algum tipo de impacto ambiental. Portanto fundamental seu reaproveitamento o que minimiza esses impactos ambientais. Dentre eles pode-se citar: p de minrio, p de coque, p de carvo, escria de alto forno. 2.2.1.1 Minrios de Ferro Os minrios que apresentam interesse econmico para a siderurgia so basicamente os xidos, sendo os mais utilizados a hematita e a magnetita. Hematita - o tipo mais comum de minrio de ferro, constitudo essencialmente pelo xido com frmula Fe2O3 (trixido). Apresenta um teor nominal de 69,5% de ferro contido, mas o teor varia de 45 a 68% devido a presena de ganga (impurezas).

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Magnetita - Constituda essencialmente do xido de ferro cuja frmula Fe3O4 (perxido). Apresentando um teor nominal de 72,4% de ferro, sendo que o seu teor real varia de 50 a 70%. um material de cor cinza escuro e apresenta propriedades magnticas, o que facilita a sua concentrao nas operaes de beneficiamento de minrios. Limonita - Consiste essencialmente em Hematita hidratada (presena de gua) com frmula Fe2O3 , na qual a proporo de molculas de gua de hidratao pode variar de 1 a 3. Em conseqncia varia tambm o teor nominal de ferro sendo que o teor real normalmente no ultrapassa 65%. Apresenta-se como um material de cor marrom. Siderita - um tipo pouco freqente de minrios, ocorrendo normalmente como componente de mistura da hematita e em pequenas propores. Apresenta-se na frmula FeCO3 (Carbonato), sendo que seu teor real varia de 10 a 40%. Pirita - Tambm de pouca importncia, normalmente aparece como componente de mistura de minrios de outros metais (minrios de cobre, por exemplo). Sua frmula bsica FeS2. 2.2.2 - Caractersticas dos Minrios de Ferro para Sinterizao: O minrio para Sinterizao comumente chamado de "Sinter Feed" que uma mistura padro destes minrios. Estes minrios so especificamente preparados para serem sinterizados devendo possuir portanto caractersticas fsicas e qumicas capazes de propiciar a obteno de um aglomerado dentro das necessidades do Alto Forno. Um bom Standard Sinter Feed depende alm destas caractersticas de outros fatores, tais como comerciais, polticos e estratgicos, disponibilidade, viabilidade de fornecimento e de transporte. 2.2.2.1 - Caractersticas Fsicas O minrio para Sinterizao deve apresentar primeiramente boa granulometria e poder de aglomerao a frio e secundariamente porosidade, forma de gro, crepitao, densidade etc. Atualmente, considera-se que a melhor distribuio granulomtrica esteja na faixa: - 0% de frao > 10,0 mm - 45% a 60% da frao de 1 a 10,0 mm - e menor de 15% da frao < 200 mesh O poder de aglomerao a frio, sendo a capacidade dos minrios sofrerem uma micropelotizao sob o efeito da umidade e misturamento. Isto pode ser observado no manuseio do minrio (empilhamento e /ou ensilamento). Esta caracterstica provavelmente traduz o conjunto das outras agindo positivamente para facilitar a micropelotizao.

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A produo de uma mquina de sinter est intimamente relacionada com o poder de aglomerao a frio dos minrios uma vez que a o processo de sinterizao consiste em mistura e homogeneizar finos de minrio de ferro, finos de carvo ou coque, finos de fundentes (cal, etc.) e umidade e atear fogo ao carvo, de modo que a temperatura atinja 1200 a 1400 oC, condio esta suficiente para que a umidade evapore e as partculas se soldem por caldeamento, obtendo-se um material resistente e poroso, denominado snter. Industrialmente, existem dois processos que servem de base para as plantas de sinterizao. O processo GreenWalt, processo intermitente, adequando s usinas de pequeno e mdio porte, contudo, h instalaes com capacidade para quase 1500 toneladas de sinter por dia e o processo Dwight-Lloyd, processo contnuo, recomendado s grandes usinas, contudo tem sido o processo mais aceito em quase todos os nveis de produo. 2.2.2.2 - Caractersticas Qumicas A composio qumica que um minrio deve apresentar para a Sinterizao depende de um contexto amplo, no qual envolve: - Balano de carga para o Alto Forno (devido ao nvel de participao do Sinter na carga metlica do Alto Forno). - O tipo e o volume de escria de Alto Forno. - A qualidade do Sinter. Normalmente no caso dos minrios brasileiros de elevado teor de ferro, enxofre, titnio e lcalis ( compostos contendo potsssio, sdio, etc ) o controle qumico resume-se nos teores de slica (SiO2), alumina (Al2O3) e fsforo (P). A Sinterizao exige portanto um minrio que possua estas caractersticas dentro de determinados valores para que se produza o Sinter. No entanto, alm de satisfazer o aspecto da qualidade o minrio deve apresentar disponibilidade, custo etc. Sendo assim, surge uma mistura destes em que normalmente se encontra o minrio base e o de adio. Entende-se por minrio base o minrio que devido as suas caractersticas fsicas e qumicas usado em maior proporo. Por minrio de Adio entende-se como aquele que por possuir caractersticas fsicas e/ou qumicas especiais usado em menor proporo, servindo como corretivo do minrio base. 2.2.3 - Caractersticas dos Minrios de Ferro para Alto Forno: A carga metlica do Alto Forno a Coque normalmente composta de: - Sinter; - Pelota; - Minrio granulado. O minrio de ferro normalmente participa numa proporo que pode variar de 5% at 20% dependendo muito da usina e da situao. Basicamente um minrio para Alto Forno deve apresentar: - Alto teor de ferro - Baixos teores de fsforo, lcalis e enxofre.

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No caso do fsforo, cerca de 100% vai para o gusa, alm disso, estima-se que para cada 0,1% de fsforo no gusa necessita-se de 1,0 Kg de Carbono/t gusa. Os lcalis (Na2O e K2O) provocam formao de casco no Alto Forno. O enxofre e o fsforo elevados desclassificam o ao na aciaria devido ao fato de provocarem fragilidade no mesmo. 2.2.3.1 - Caractersticas Fsicas dos Minrios de Ferro para Alto Forno Os parmetros que devem ser controlados no minrio so basicamente os seguintes: - Granulometria (finos < 5,0mm) - Crepitao/RDI/Redutibilidade - Resistncia mecnica - Finos de aderncia Com exceo da resistncia mecnica e da redutibilidade, os nveis de controle devem ser os mais baixos possveis. 2.2.4 - Fundentes As substncias utilizadas pela metalurgia para abaixar o ponto de fuso da ganga (parte do minrio sem valor econmico) e permitir a remoo das mesmas chama-se fundente, os quais, podem ser divididos em:

Bsicos (portadores de CaO e/ou MgO) Fundentes

cidos (portadores de SiO2 e/ou Al2O3) Os principais fundentes so: - Calcrio (portador de CaO); - Cal ( portador de CaO); - Dunito (portador de MgO e SiO2); - Serpentinito (portador de MgO e SiO2); - Dolomita (portador de MgO e SiO2); - Quartzo (portador de SiO2). A composio qumica destes a mesma tanto para Sinterizao quanto para o Alto Forno. Sendo que a granulometria situa-se na faixa especificada abaixo: - 0 a 3,0 mm aproximadamente para Sinterizao - 10 a 30 mm aproximadamente para o Alto Forno. 2.2.5 - Matrias Primas de Gerao Interna Existem algumas matrias primas originadas dentro da usina decorrentes de outras etapas do processo siderrgico que por suas caractersticas devem ser utilizadas na Sinterizao. Alm deste aspecto, existe tambm o aspecto ambiental, onde se tornou

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fundamental a reciclagem de resduos. As principais matrias-primas originadas no interior das usinas so: - Carepa; - P de Alto Forno; - Lixo Industrial; - Gerao da Calcinao; - P de CDQ, um p original da coqueria, com elevado teor de carbono; - etc. Carepa - oriunda da Laminao (escarfagem) e possui um teor de FeO (-60%). A Carepa quando adicionada na pilha pode favorecer a reduo de Coque na Sinterizao. P de Alto Forno - Origina-se no coletor de p do Alto Forno. A sua composio qumica justifica sua utilizao devido ao alto teor de carbono (C). Tambm pode diminuir consumo de combustvel na Sinterizao. Lixo Industrial - basicamente composto de minrios e fundentes, originados da limpeza da rea industrial. Deve ser peneirado para utilizao na pilha homogeneizada. Resduos da Calcinao - Estes materiais so decorrentes do processo de preparao da cal para a aciaria. Alm da cal peneirada para a sinterizao, temos a pr-cal, a cal britada e a lama de calcrio. Todos estes produtos apresentam qualidade e quantidade que justificam sua utilizao posterior. P de CDQ - um p originado do apagamento seco do coque na coqueria. importante aproveit-lo devido seu alto contedo de carbono (C). 2.2.6 - Adies As principais matrias primas utilizadas como elementos de adio ao processo de reduo so: Minrio de Mangans - Fornece Mn ao gusa e age como elemento dessulfurante. Ilmenita - Fornece titnio que age na proteo ao cadinho do Alto Forno. Da mesma forma agem a magnetita titanfera, briquetes e concentrados de TiO2. 2.2.7 Pelotas de Minrio de Ferro As pelotas consumidas nos altos fornos da CST so provenientes das usinas de pelotizao da CVRD que adota o seguinte processo de produo: O processo industrial inicia-se com a descarga da composio de vages contendo as matrias-primas nos viradores de vages, apresentando a distribuio adequada das matrias-primas: ultra-finos de minrio de ferro proveniente de Itabira-MG e calcrio. Atravs de correias transportadoras, estas matrias-primas sero transportadas at o ptio de finos para estocagem, formando uma mistura com composio qumica e granulomtrica pr-determinadas para a produo de pelota com as caractersticas

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necessrias exigidas pelo mercado consumidor. O empilhamento da matria-prima feito por uma empilhadeira mvel que deposita os diferentes tipos de minrio em camadas sucessivas nas propores definidas pelo produto final desejado. O calcrio introduzido durante a formao da pilha na proporo de 13kg/t de minrio. O carvo e o calcrio utilizados no processo de pelotizao existente no complexo de Tubaro, so recebidos e estocados em ptios especficos. Antes de a polpa moda ser encaminhada ao espessador, ela passa por um grupo de hidrociclones que separaram os finos fora de especificao, fazendo-os retornar juntamente com uma parcela da gua que forma uma mistura, para a alimentao dos moinhos. A polpa resultante, com menor umidade, ento encaminhada para o espessador. A polpa resultante da moagem e classificao nos hidrociclones encaminhada para o espessador com 50m de dimetro, o qual promover o aumento da densidade da polpa, retirando a gua que ser encaminhada para o tanque de processo, retornando ao moinho. A operao de filtragem tem por finalidade reduzir a umidade da polpa proveniente dos tanques de homogeneizao. A pelota a ser produzida nos discos de pelotamento deve apresentar, ainda crua, a resistncia necessria para o manejo antecedente fase de queima. Dessa forma, aps a filtragem, a polpa retida recebe uma certa quantia de aditivo que ser a cal hidratada (ou a bentonita), exercendo a funo de aglomerante, a fim de facilitar a produo da pelota e proporcionar a resistncia a frio por ela demandada. A uniformizao da mistura realizada em misturadores cilndricos rotativos, que recebem a polpa retida dos filtros contendo a dosagem exata do aditivo (cal hidratada ou bentonita). A seguir, a polpa retida ser transportada por correias transportadoras at os silos dos discos de pelotamento. A operao de pelotamento realizada em discos de pelotamento com 7,5m de dimetro e a capacidade de processamento de 120t/h de polpa retida. Os discos sero inclinados de 48 em relao ao plano horizontal e giram a 5,6 rpm. Ao atingirem certa faixa de dimetro, a ao de rotao do disco promover o desprendimento de pelota que cair sobre o primeiro conjunto de peneiras de rolo. Nas peneiras de rolos, ocorre a primeira seleo da pelotas a serem encaminhadas ao forno. A queima da pelota crua no forno da usina promove o tratamento trmino necessrio para que as pelotas adquiram alta resistncia mecnica e as caractersticas metalrgicas necessrias para sua utilizao em alto-forno de usinas siderrgicas. A sada do forno, as pelotas so conduzidas para uma peneira vibratria, que separa a

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parcela de pelotas com dimetros inferior a 5mm. Tambm separada nessa peneira uma parcela do produto que ser recirculada para formao da camada de forramento da grelha do forno. O produto final, aps o peneiramento ser encaminhado para o ptio de pelotas. O empilhamento das pelotas realizado por uma mquina empilhadeira mvel, e a recuperao das pelotas para embarque em navios realizada por meio de mquina recuperadora de caambas. 2.3 - Carvo Mineral e Vegetal 2.3.1 - Origens e Geologia O carvo mineral uma massa compacta, estratificada, oriunda da decomposio de matrias vegetais, as quais passaram por vrios estgios de conseqentes aes geolgicas, que provocaram modificaes em suas propriedades fsicas e qumicas. As modificaes nas propriedades da matria vegetal envolvem alteraes complexas nos constituintes da sua estrutura, com evoluo da umidade, gs carbnico e metano. Desde a antigidade, se reconhece a origem vegetal do carvo-de-pedra. Nos linhitos pode-se observar ainda restos da estrutura das plantas que o formaram. Os depsitos carbonferos se localizam nos limites de regies montanhosas, onde alteraes geolgicas, no perodo quaternrio, causaram o soterramento de florestas, e para o desenvolvimento da luxuriante vegetao da poca, era necessrio clima ameno, com bastante umidade e solo frtil. Estas duas condies so encontradas nas vizinhanas de cordilheiras, pois as cadeias de montanhas representam coletores de chuvas que, devido diferena de altura entre os montes e a plancie, provocam uma eroso intensiva, resultando em fonte de suprimento de minerais pela conseqente sedimentao nas baixadas. Para a formao de camadas carbonferas, outra condio essencial teria sido o abaixamento do subsolo lento, porm, interrompido. Como resultado de um movimento tectnico deste tipo, a regio coberta de florestas ficou submersa, transformando-se em lago. Com o passar do tempo, argila e areia eram arrastadas pela eroso natural e o depsito de turfa, recoberto por uma camada de terra. A compactao progressiva da turfa se fazia pelo acmulo cada vez maior de matria depositada na superfcie. No decorrer dos sculos, o abaixamento do subsolo pode ter sido sustado e at anulado pela formao de montanhas. Durante estes movimentos, grandes presses eram exercidas nas diversas camadas do solo e, naturalmente, tambm, sobre os depsitos vegetais. A ao combinada da presso e do calor aplicado durante longos perodos, causaram modificaes profundas na estrutura da turfa, com eliminao da gua, do gs carbnico e do metano, aumentando progressivamente o teor de carbono no material residual. Tais modificaes podem ter durado vrios sculos e resultaram na transformao progressiva da turfa em linhito e depois, nos diversos tipos de carvo betuminoso, at chegar a antracito.

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Estimativas de gelogos indicam que as temperaturas s quais foi submetida matria vegetal fssil variam entre 100oC a 600oC e as presses nas camadas profundas, teriam sido da ordem de 1.500 atmosferas. Desde as turfas e linhitos at o antracito, existe, como vimos gama variada de composies e caractersticas, sendo aceito sem discusses que as turfas de hoje, por meio de uma srie de transformaes, gradualmente se transformariam em carves no futuro. A turfa , portanto, considerada o estgio inicial da transformao da matria vegetal em carves, resultante da decomposio de vegetais de pequeno desenvolvimento (musgos e arbustos) num ambiente de gua doce. 2.3.2 - Variedades de Carves MADEIRA A lenha o combustvel mais comum. Durante sculos, a lenha e o seu derivado o carvo vegetal - foram praticamente os nicos combustveis conhecidos, tanto para o consumo domstico, como para a reduzida indstria, inclusive na Metalurgia. Nos meados do sculo XVIII (1735), foi descoberto o coque metalrgico: - derivado das hulhas - que passou ento a substituir o carvo vegetal nas regies de hulhas abundantes. Com a introduo da mquina a vapor (1775), e principalmente, com a extraordinria expanso das aplicaes da mquina a vapor, a partir da chamada Revoluo Industrial que se iniciou nos primrdios do sculo passado, e as suas conseqncias na ativao da metalurgia, dos transportes marinhos e ferrovirios, a hulha suplantou a lenha como o grande combustvel industrial. A lenha s conservou sua importncia nas regies pobres de hulha, caso que inclui toda a Amrica Latina, em particular o Brasil, onde seu consumo industrial chega a cifras superiores a 100 milhes de metros cbicos por ano. Um metro cbico (estere) de madeira pesa em mdia 500 Kg. O seu poder calorfico mdio de 4.000 Kcal/Kg. O poder calorfico das hulhas em mdia de 6.500Kcal/Kg. Logo, o metro cbico (estere) de lenha, pode ento liberar 4.000 x 500 = 2.000.000 Kcal, enquanto 1 ton. de hulha pode liberar 6.500.000 Kcal. Ento, 1 m de lenha equivale a 0,3 ton. de hulha e os 100 milhes de m de lenha equivaleriam a 33 milhes de toneladas de hulha. TURFAS As turfas resultam da decomposio dos vegetais nas lagoas, pntanos, encontrando-se tanto nas formaes contemporneas, como nas recentes da era quaternria. As mais recentes apresentam-se como uma terra negra ou castanha, ou como massa de estrutura fibrosa, emaranhada de razes, hastes e detritos dos vegetais donde provieram. As mais antigas so mais compactas, de estrutura aleitada, cor castanha. Recm-

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extradas, so consideravelmente mais midas, com 80 a 90% de gua; secas ao ar, contm ainda de 15 a 30% de gua de embebio. Nesta condio, tm peso varivel de 200 a 250 Kg por m e poder calorfico entre 3.300 a 5.000 Kcal/Kg. um combustvel fraco, que s interessa s regies onde se encontra, para aplicaes restritas (fornalhas, cermicas, estufas), embora possa ser prensada em blocos ou briquetes e gaseificada em gasognios. Algumas podem fornecer semi-coque, com aproveitamento das matrias volteis, por processo de destilao a baixas temperaturas. No Brasil, se tem encontrado algumas turfeiras, nas costas baixas dos Estados do Esprito Santo (Jucu) e Rio de Janeiro (Marambaia). LINHITOS Os linhitos so carves fsseis mais antigos que as turfas e mais recentes que as hulhas, encontrando-se especialmente nas formaes geolgicas de era terciria. So constitudos pelos produtos de decomposio de vegetais de certo porte, acumulados e soterrados por fenmenos geolgicos. Apresentam-se em camadas encaixadas em formaes sedimentrias, com espessuras que variam de centmetros a dezenas de metros (at 80 metros), podendo ento constiturem reservas de considervel importncia como acontece nos Estados Unidos e Alemanha. HULHAS As hulhas so o resultado da decomposio de verdadeiras florestas que existiram em pocas em que as condies climticas da terra foram extremamente favorveis ao esplendor da vida vegetal e que foram posteriormente soterradas durante os ciclos geolgicos. Muitas delas se admite resultarem de enormes turfeiras desta poca de intensa vida vegetal (perodos Carbonfero e Permiano). Os processos de decomposio se admitem como devidos ao de micro-organismos e fungos, em fases de destruio acrbia e posteriormente em fase anacrbia (fermentao), seguidas ainda pela ao da presso exercida pelos depsitos minerais que sobre ele depositaram conjugadas ao calor quer do grau geotrmico, quer o gerado nos diastrofismos da crosta terrestre. Todas estas aes resultaram em transformaes mais ou menos profundas da primeira matria vegetal: de um lado, estas transformaes se traduziram pela progressiva diminuio da umidade (embebio) e dos teores de oxignio e hidrognio (evoluo de compostos volteis) e o decorrente aumento do teor de carbono, de outro lado, por acentuadas transformaes qumicas dos constituintes da matria decomposta, com o aparecimento de substncias no encontradas normalmente nos tecidos vegetais vivos, tais como hidrocarbonetos das sries cclicas, como o antraceno, o benzeno e outros que so importantes substncias de utilizao industrial; por isto mesmo, alm do carbono que o principal constituinte das hulhas, como combustvel, podem elas fornecer estas importantes substncias, tornando-as assim, importantes fontes de matrias primas de natureza qumica, que so aproveitadas como subprodutos na destilao das hulhas e empregadas para a fabricao de

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corantes, anilinas, medicamentos, explosivos, borracha sinttica, solventes etc. Por isto mesmo, as hulhas assumem considervel importncia industrial, justificando-se o notrio fato de estarem justamente nas regies onde ocorrem em abundncia os mais importantes centros industriais do mundo moderno (Pensylvnia, Ruhr, Inglaterra, Rssia, Frana). Assim, se justifica tambm porque as hulhas se classificam em funo do seu teor de carbono e destes componentes nobres que se desprendem durante a destilao, como "matrias volteis", visto que se desprendem como gases, as temperaturas da destilao (800 a 1.000oC) condensando-se depois alguns como lquido permanecendo outros como gases. As alteraes na composio dos combustveis naturais slidos e fsseis so uma funo da sua "histria geolgica", isto , no propriamente do tempo, mas da srie de fenmenos metamrficos pelos quais tenha passado o depsito geolgico do combustvel, o que se define na literatura em ingls, por "RANK", que significa ORDENAO HIERRQUICA. Assim que as hulhas perdem matrias volteis e se enriquecem em carbono, tanto mais elevada seja a sua ordem. ANTRACITO O ltimo estgio destas transformaes representado pelo Antracito (do Grego ANTRAX = CARVO), que contm o mnimo de umidade e matrias volteis e o mximo de carbono. O Antracito tem aspecto cristalino, brilhante, duro mas frgil, fragmentando-se sucessivamente em partculas aproximadamente cbicas ou lamelares. CARVO MINERAL NACIONAL O carvo mineral do Brasil encontrado nos Estados de Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paran, So Paulo, Gias, Piaui, Maranho, Par e Amazonas. Porm, somente as jazidas dos estados sulinos, principalmente as de Santa Catarina e as do Rio Grande do Sul, podem ser lavradas economicamente. Em So Paulo e Paran as jazidas so nfimas, usadas somente em pequenas termeltricas e em aplicaes industriais de importncia reduzida.

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03 - PREPARAO DAS MATRIAS PRIMAS 03.1 - RECEBIMENTO DAS MATRIAS PRIMAS As principais matrias primas consumidas numa siderrgica so minrios de ferro, carves minerais, fundentes e materiais de gerao prpria. A CST trabalha hoje com pelo menos uma dezena de fornecedores internacionais de carves minerais. Os mesmos, chegam do exterior ao Porto de Praia Mole, de onde so conduzidos atravs de correias transportadoras at o ptio de carves e empilhados na forma de fileiras prismticas. Os minrios de ferro so recebidos pelo ramal ferrovirio da CVRD dotado de um virador de vages, que descarrega o material sobre uma correia transportadora e, esta, os conduz e empilha no ptio primrio, na forma de pilhas prismticas. Os fundentes, como calcrios calcticos e dolomticos, podem ser, tambm, podem ser recebidos pelo mesmo ramal ferrovirio da CVRD, ou no hopper rodo-ferrovirio; que tambm so conduzidos ao ptio primrio e empilhados da mesma forma que os minrios. Em todos os ptios, cada pilha deve ser de apenas um material, que pode ser analizado e seus dados registrados no computador indicado para cada um dos casos existentes.

Fig.3.1 - Esboo do esquema de formao das pilhas 03.2 - BRITAO Britao o processo de fragmentar as matrias primas, transformando-as em grnulos com a granulometria requeri da pelo processo a que se destina. Exemplo: O calcrio deve ser britado at atingir granulometria abaixo de 100mm.

03.3 - MOAGEM Na moagem o material fragmentado at se transformar em p. Exemplo: O carvo mineral, depois de britado, modo at que suas partculas fiquem menores do que 0,2mm, ento, passa a poder ser usado na produo da mistura de carves a enfornar, para produzir coque. 03.4 - PENElRAMENTO So operaes feitas em classificadores geomtricos, denominados peneiras ou grades vibratrias, com o fim de separar cada grupo das matrias primas conforme

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seus respectivos tamanhos. Exemplo: Depois de resfriado e britado, o coque deve ser submetido a dois classificadores com aberturas de 75 e 20mm; de modo que o coque com granulometria de 20 a 75mm deve ser usado no alto fomo e o menor que 20mm na sinterizao.

03.5 - CALCINAO Calcinao a unidade que transforma calcrio em cal pelo seu aquecimento acima de 1200C, conforme ilustra a reao a seguir: CaCO3 . CaO + CO2 (calcrio) (cal) (gases)

A cal tem grande importncia na aciaria, visto que, no refino do ao, pode atuar como fundente, dessulfurante, desfosforante e refrigerante. A prtica industrial de calcinao pode ser feita em fornos de cuba aquecidos a gases ou pela combusto de carvo vegetal granulado adequadamente misturado ao calcrio. Em escala de produo elevada, como na CST, podem ser empregados fornos cilndricos horizontais giratrios. A calcinao da CST opera com calcrios calctico e dolomtico, em dois fomos horizontais com capacidade nominal de 350ton/dia e dimenses com 3,2m de dimetro por 55m de comprimento. Adio de Calcrio Sada dos gases

1250o C

Queimadores Cal

Fig.3.2 - Esquema em corte vertical do forno de calcinao O material a ser calcinado alimentado na extremidade mais alta do fomo e conduzi da sua parte inferior pela sua rotao reforada pela fora da gravidade, o que permite uma descida lenta do material, em contra corrente ao fluxo dos gases quentes provenientes da zona de combusto, promovendo, assim, a dissociao dos carbonatos, sendo possvel produzir cal calctica e/ou cal dolomtica. A coleta da cal produzida ocorre na extremidade inferior do forno.

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A cal obtida no forno horizontal tem granulometria inferior a 40mm e deve ser submetida a um peneiramento de 9mm, de modo que o oversize segue para a aciaria e os finos para a sinterizao. Todo o processo de calcinao assistido por equipamentos de proteo ambiental, como filtros, ciclones, chamin e espessador, que sofrem um rigoroso controle de manuteno. 03.6 COQUERIA: Coqueria a unidade industrial que transforma mistura de carves minerais em coque. O coque metalrgico empregado nos altos fornos, onde pode atuar como combustvel, redutor, fornecedor de carbono ao gusa e permeabilizador da carga. No custo de produo do ferro gusa, a fatia do coque supera 40%, da a importncia que lhe conferi da na siderurgia. O ciclo operacional da coqueria pode ser resumido nas seguintes fases: Preparao da mistura de carves Enfornamento Aquecimento Desenfornamento Apagamento Preparao do coque Tratamento das matrias volteis. 03.6.1- FLUXOGRAMA DA COQUERIA DA CST.

Alcatro (5,3%)

Sulfato de amnia (1,2%)

Gs de coqueria (17%)

leos leves (1,22%)

Piridina (0,01%)

Sinterizao Coque Bitolado ( 20 - 75mm)

Coque fino ( < 0,25mm)

Coque grosso ( > 75mm) (75%)

Classificador

Usina de subprodutos Britador

Bateria de coque Gs bruto ( matrias volteis) (25%)

Mistura de carves

Alto Forno

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03.6.2 - PREPARAO DA MISTURA DE CARVES Os melhores carves minerais usados na produo de coque metalrgico so as hulhas, que so constitudas de carbono fixo, matrias volteis e cinzas. Para a produo de um bom coque metalrgico, deve ser preparado uma mistura de carves com cerca de 25% de matrias volteis e abaixo de 8% de cinzas. 03.6.3 ENFORNAMENTO. Uma bateria de fornos de coque com recuperao de subprodutos constituda de fornos verticais geralmente de 11 a 15 metros de comprimento, 3 a 7 metros de altura e 300 a 550 mm de largura. Suas paredes so construdas de tijolo refratrio de slica, de projeto especial para evitar a passagem de gases.

Estes fornos so aquecidos por um gs, o qual injetado em uma rede de dutos e estes por sua vez, so conectados aos regeneradores, que alimentam dois fornos de coqueificao adjacentes. Estes regeneradores so construdos de tijolos refratrios de slica-aluminoso. Sua funo absorver calor dos gases queimados e, posteriormente, ao inverter o fluxo dos gases, eles servem para aquecer o ar que ir ser usado para combusto. O nmero de fornos numa bateria bastante variado e pode chegar a ter 200 fornos, e cada forno tem portas removveis para possibilitar a retirada do coque incandescente com o uso da mquina desenfornadora.

Um fator importante na operao de uma bateria o tempo de coqueificao, que, geralmente, varia entre 16 a 18 horas. A CST possui trs baterias com 49 fornos cada uma delas, totalizando 147. Uma cmara de coqueificao mede 40 a 45cm de largura por 4 a 7m de altura 7 a 15m de comprimento. No topo do forno, existem 3 a 5 furos por onde feito o carregamento da mistura de carves e uma abertura destinada ao recolhimento das matrias volteis.

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1- Correia transportadora 4- Fornos (retortas) 7- Duto de matrias volteis 2- Silo principal 5- Rampa de descarga 3- Carro alimentador 6- Vago de apagamento

Fig.3.3 Esboo de uma bateria de fornos(retortas) de uma coqueria

Fig.3.4 Viso geral de uma coqueria. No primeiro plano, as instalaes de britagem e

peneiramento do coque.

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Fig.3.5 Esquema de um forno (retorta) e seus principais acessrios.

Fig.3.6 Esquema de um forno Gun-Flue com converso de meia parede.

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Fig.3.7 Esquema de um forno com duplo par de canais.

Fig.3.8 Esquema do processo de coqueificao.

03.6.4 - AQUECIMENTO/COQUEIFICAO O aquecimento do carvo enfornado indireto, pois, o calor gerado nos dutos de aquecimento distribudos no interior das paredes que separam uma retorta da outra. Durante a coqueificao a mistura de carves aquecida a 1100C, numa cmara sem circulao de ar, dotada de uma abertura superior, por onde saem as matrias volteis, que so recolhidas, pois, so de grande valor. Desta forma, a coqueificao consiste em submeter uma mistura de carves de caractersticas adequadas a uma destilao (aquecimento em ausncia de ar). Esta

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destilao provoca a liberao de gases e o aparecimento de um resduo slido, poroso, infusvel, basicamente constitudo de carbono, que o coque.

Quando o carvo carregado dentro da cmara (forno), o mesmo, entra em contato com as duas paredes aquecidas e o calor transmitido, por conduo, para o centro da carga. De cada parede surgem duas superfcies planas isotrmicas, que caminham para o centro da carga. At as isotermas de 300o C, a mistura de carves permanece slida, liberando somente vapor dagua e poucos gases (CO etc). Entre 300 e 500o C, a mistura amolece e torna-se fluida devido grande liberao de matria voltil. O material situado entre estas isotermas forma uma camada "envelope plstico", ocorrendo a o primeiro estgio da coqueificao. Entre 500 e 900o C, a mistura perde fluidez e as partculas se unem formando o semi-coque. A seguir, o processamento das reaes finais de condensao e desidrogenao, caractersticas do segundo estgio da coqueificao, transformam o semi-coque em um material com apenas 1% de matria voltil chamado coque .

A velocidade de a avano das isotermas no seu caminho desde a parede dos fornos at o centro da carga constitui o "coking-rate" e a coqueificao est terminada com o encontro das duas frentes plsticas. Na coqueria da CST, o tempo de enfornamento de 16h e 30min.

A B C

A pouco depois do carregamento, B cerca de metade do ciclo de coqueificao, C coalescncia final (mxima presso de coqueificao). Fig.3.9 Esquema mostrando o deslocamento da camada plstica durante a formao

do coque.

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03.6.5 - DESENFORNAMENTO Quando no sai mais matria voltil, ento, o coque est pronto e deve ser desenfornado. As 2 portas so abertas e por uma delas introduzido o mbulo empurrador, que empurra o coque para fora, pela outra porta, de modo que o coque incandescente cai dentro de um vago de transporte.

Fig.3.10 Esboo de um decarregamento do coque incandescente 03.6.6 - APAGAMENTO O coque deve ser apagado imediatamente, para impedir sua queima, o que pode ser feito a mido ou a seco. 03.6.6.1 - Apagamento a mido No apagamento a mido, o vago carregado posicionado sob a torre de apagamento, onde o coque apagado com fortes jatos de gua, gerando um consumo de 400 litros dgua por tonelada de coque resfriado.

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Fig.3.11 esquema de uma torre de apagamento mido

03.6.6.2 - Apagamento a seco. A CST a nica usina siderrgica das Amricas que emprega apagamento a seco. O processo de extino a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ) se inicia com o desenfornamento do coque incandescente dentro de uma caamba especial, revestida com placas de ferro fundido e com fundo falso, disposta sobre uma plataforma tracionada por uma locomotiva eltrica.

Aps o carregamento, a caamba conduzida pela locomotiva eltrica at a ponte de iamento e, por meio de um dispositivo de transferncia (cremalheira), posicionada sob a ponte, na parte inferior da torre de iamento. Atravs da ponte de carregamento a caamba iada at o topo da torre. A seguir a ponte faz a translao com a caamba ainda cheia parando sobre a tremonha. Ao se baixar a caamba sobre a tremonha seu fundo falso se abre dando passagem do coque para o interior da cmara. A mesma operao se efetua inversamente para fechar a cmara.

O coque incandescente carregado na pr-cmara a uma temperatura em torno de 1050o C, desce para a cmara de resfriamento onde entra em contato com a corrente gasosa ascendente, sendo resfriado.

A pr-cmara desempenha duas importantes funes:

a - Absorve as variaes na alimentao do coque, proporcionando uma gerao estvel de vapor.

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b - Homogeiniza as caractersticas do coque, retirando o restante de matria voltil, passando assim por um processo de super coqueificao com permanncia de aproximadamente 1 hora.

A descarga do coque, com a temperatura em torno de 180o C faz-se na parte inferior da cmara, atravs do sistema de descarga alternado, e com o compartimento pressurizado com N2, que permite descarregar o coque sem deixar escapar o gs circulante ou gs de resfriamento.

O apagamento do coque propriamente dito se processa, soprando o gs de resfriamento na parte inferior da cmara, passa por em sistema de distribuio e sobe em direo a parte superior, absorvendo o calor do coque e atingindo a temperatura de aproximadamente 800o C. O gs recolhido por 32 canais dispostos em torno da parte superior da cmara, passando por um coletor primrio onde as partculas maiores so retidas. A seguir o gs conduzido para a caldeira onde cede seu calor mesma, produzindo vapor de 23 Kg/cm e 350o C que movimenta algumas bombas do CDQ.

O gs sai da caldeira j com sua temperatura reduzida a aproximadamente 180o C, passa por um conjunto de ciclones onde so retidas as partculas finas de p e atravs do soprador reconduzido cmara de resfriamento. O p retido no coletor e no ciclone transportado pneumaticamente para um silo. Alm do sistema de despoeiramento do gs circulantes descrito acima, existem dois outros que coletam as poeiras geradas no carregamento e na descarga do coque. Desta forma, O coque incandescente de um novo carregamento que introduzido na cmara de extino recebe o gs ascendente de nitrognio numa temperatura abaixo de 160C.

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Fig.3.12 Processo de extino a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ) 03.6.7 - PREPARAO DO COQUE: Depois de frio, o coque deve ser britado e peneirado a 75 e 20mm. O coque com 20 a 75mm mandado para o alto forno e o menor que 20mm para a sinterizao. 03.6.8 -TRATAMENTO DAS MATRIAS VOLTEIS: Cerca de 25% da mistura de carves se transforma em matrias volteis que, depois de tratadas podem ser usadas na prpria usina ou vendidas. A CST aplica um pequeno tratamento as matrias volteis, de modo que 17% do material enfornado se transforma em gs de coqueria, COG, alm do misto, que uma mistura composta de gua amoniacal (98,7%), alcatro (1,0%) e borra (0,3%). Todo o material voltil conduzido atravs de tubulaes a uma srie de equipamentos, podendo passar pelos seguintes processos: Processo de separao do COG e decantao do alcatro da gua amoniacal Processo de resfriamento do COG Processo de precipitao eletrosttica de partculas de alcatro Processo de absoro de amnia.

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Processo de destilao da amnia e concentrao da gua amoniacal Processo de combusto da amnia. Processo de absoro de naftaleno e Processo de exausto de COG O gs de coqueria pode ser empregado nas unidades de aquecimento da prpria usina, na produo de energia termoeltrica e vendido para indstrias do ramo dos carboderivados.

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03.7 - SINTERlZAO Como notrio, os principais componentes da carga slida do alto fomo so o minrio de ferro (granulado, e/ou sinter e/ou pelota), coque e fundente (calcrio). O uso de sinter autofundente, com propriedades fsico-qumicas e metalrgicas definidas, contribui para seu aumento de produtividade, diminuindo, consideravelmente, o consumo de coque e melhorando a qualidade do gusa. Certamente, por esse motivo, a CST tem preferncia pelo uso de sinter na carga dos seus altos fornos. 03.7.1 - PRINCPIO DA SINTERlZAO A sinterizao consiste em misturar e homogeneizar finos de minrios de ferro (sinter feed), finos de carvo ou coque, finos de fundentes (cal, etc. ) e umidade e fazer a combusto do carvo ou coque, de modo que a temperatura atinja 1200 a 1400C, condio suficiente para que a umidade evapore e as partculas da carga se unem por caldeamento, obtendo-se um material resistente e poroso denominado sinter.

Fig.3.13 Esquema do princpio da sinterizao.

03.7.2 - MOVIMENTO DA FRENTE DE COMBUSTO Inicialmente, feita a ignio do carvo contido na superficie da mistura com auxlio de maaricos apropriados, se formando a a zona de combusto que avana para baixo, puxada pela descida do ar succionado pelo sistema de exausto, at atingir a falsa grelha, quando a combusto se extingue. Durante a descida da frente de combusto, toda a mistura aquecida acima de 1200C, ocorrendo a soldagem das partculas por caldeamento, resultando uma grande bolo de sinter.

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Fig.3.14 Esquema mostrando o movimento da frente de combusto.

03.7.3 REAES DURANTE A SINTERIZAO a) Secagem: at 300o C - Vaporizao da qua livre. H2O(l) H2O(v) b) Desidratao: 400 a 500o C Vaporizao da gua combinada Ca(OH)2 CaO + H2O(v) c) Reduo superficial do minrio de ferro 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 d) Decomposio de carbonatos: 750 a 1150o C CaCO3 CaO + CO2 e) Formao de silicatos: 600 a 1300o C Al2O3 + SiO2 Al2O3.SiO2 2CaO + SiO2 2CaO.SiO2 Fe2O3 + SiO2 + CO 2FeO.SiO2 + CO2 2 CaO.SiO2 + 2 FeO.SiO2 2(CaO.FeO.SiO2) f) Formao de Clcio-ferritas: 600 a 1300o C CaO + Fe2O3 CaO.Fe2O3 CaO + 2Fe2O3 CaO.2Fe2O3 44

g) Combusto do Coque: 1300o C C + O2 CO2 C + 1/2O2 CO h) Formao da magnetita: 3FeO 1/2O2 Fe3O4 03.7.4 - FLUXOGRAMA DE UMA SINTERIZAO

Falsa grelha (Beding)

10 a 20mm

5 a 50mm 5mm

ALTO FORNO Sinter

20mm Peneiras 10mm 5mm

Britador secundrio

> 50mm

< 50mm

Peneira (50mm)

Resfriador

Birtador primrio

SINTERIZAO

Misturador

Outros gua Fundentes Coque

Sinter Feed

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O sinter-feed utilizado geralmente um concentrado de hematita com granulometria abaixo de 10mm, fornecido pela CVRD. Convm informar que os principais minerais de ferro so hematita (Fe2O3), limonita (Fe2O3nH2O), magnetita (Fe3O4) e siderita (FeCO3). 03.7.5 - MQUINAS DE SINTERIZAO As mquinas de sinterizao podem ser intermitentes, adequadas a pequenas usinas siderrgicas ou contnuas, para grandes usinas. Logo a seguir desenharemos um esquema de uma mquina de sinterizar em corte vertical.

Fig.3.15 Esquema mostrando Uma mquina de sinterizao intermitente e o avano e

a temperatura da frente de combusto. A chaparia pode ser confeccionada com chapas de ao doce soldadas. A proteo trmica da chaparia pode ser feita com revestimento intemo de refratrio slico-aluminoso ou aluminoso. As barra de grelha podem ser de ferro fundido refratrio ou ao refratrio, com 25 a 30% de cromo ela 2% de niquel. A falsa grelha uma camada protetora de sinter com 25 a 35mm de espessura, com granulometria de 10 a 25mm. As funes principais da falsa grelha impedir a suco de finos pelo sistema de exausto e impedir que a frente de combusto atinja as barras de grelha.

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Fig.3.16 Corte longitudinal do leito de uma mquina de sinterizao contnua

Fig.3.17 Corte Transversal do leito de uma mquina de sinterizao contnua

Fig.3.18 Esquema mostrando o sistema de exausto de uma sinterizao contnua

tipo Dwight-Lloyd. 03.7.6 - PREPARAO DO SINTER Depois de resfriado, o sinter deve ser fragmentado e peneirado, de modo que o sinter com granulometria de 5 a 50mm vai para o alto fomo, uma pequena quantidade com granulometria de 10 a 20mm ir formar falsa grelha nos processos seguintes e o sinter menor que 5mm retoma para a preparao da mistura de sinterizao.

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04 - PROCESSOS DE REDUO DOS MINRIOS DE FERROS 04.1 - PROCESSOS DE REDUO DIRETA O processo de obteno do ferro consiste basicamente na reduo dos seus xidos por meio de um combustvel carbonoso redutor, em geral coque, carvo vegetal ou mineral. Para que as reaes de reduo dos xidos de ferro ocorram em velocidades rpidas, necessrio temperaturas acima de 1000oC, onde obtemos o ferro por reduo indireta ou por reduo direta. Processos de reduo direta so aqueles nos quais a reduo do minrio de ferro a ferro metlico efetuada sem que ocorra, em nenhuma etapa do processo, a fuso da carga no reator. A reduo no estado slido de minrio de ferro por carvo praticada desde a antigidade, tendo sido o principal processo de obteno de ferro at o desenvolvimento dos altos fornos. Assim, o produto metlico obtido na fase slida, sendo chamado de ferro esponja. O ferro esponja um produto metlico com 85 a 95% de ferro e de 0,1 a 1,0% de C, podendo chegar a 2,0% de C. Tem aspecto esponjoso e obtido no estado slido temperatura em torno de 1100oC, a preos relativamente reduzidos se comparado a grandes siderrgicas. Em geral, o ferro esponja utilizado em fornos eltricos a arco em substituio sucata para obteno do ao, onde a sua caracterstica vantajosa a sua superioridade em relao sucata em termos de pureza (elementos de liga contidos na sucata podem dificultar o atendimento especificao do ao a ser produzido). Os processos de reduo direta podem ser divididos conforme o tipo de redutor, em duas classes: redutor slido (carvo ou coque) ou redutor gasoso (gs natural-CH4 e/ou gases redutores como CO, H2). Reaes de reforma ou enriquecimento do gs redutor utilizado para reutilizao no reator, normalmente feitos em reatores separados do reator de reduo dos minrios. CO2 + C 2CO H2O + C H2 + CO CH4 + CO2 2CO + 2H2 CH4 + H2O CO + 3H2 Reaes de reduo do minrio de ferro no reator de reduo. 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 3Fe2O3 + H2 2Fe3O4 + H2O Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 Fe3O4 + H2 3FeO + H2O 48

FeO + CO Fe + CO2 FeO + H2 Fe + H2O Portanto, as reaes de reduo no estado slido (temperaturas entre 1000 a 1200oC) normalmente envolvem os gases redutores CO e H2. O processo de reduo direta um processo altamente vivel em pases pouco industrializados, com minrios de alta qualidade, com escassez de sucata e com gs natural em abundncia, reduzindo conseqentemente o emprego do coque que necessrio nos altos fornos, pois este redutor necessita de carvo mineral coqueificvel e cujas reservas esto cada vez mais escassas. Principais processos de fabricao de ferro esponja: Processos utilizando retorta HYL HOGANNAS Processos com fornos rotativos KRUPP-RENN SL/RN STEICO-LURGI DORED Processos com leitos fluidizados FERRO.H ESSO-LITTLE NU-IRON HIB-NOVALFER Processos com fornos de cuba WIBERG MIDREX PUROFER ARMCO

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Fig.3.19 Esquema mostrando os diferentes processos de reduo direta. 04.2 - PROCESSOS DE REDUO INDIRETA O ferro com certeza o mais verstil dos metais, cuja gama de aplicaes estende-se aos prprios limites da imaginao. Em diversas aplicaes de diversos materiais, sempre possvel encontrar uma liga que tenha como base o ferro. Dessa maneira a produo do ao em larga escala tornou-se uma necessidade mundial, notadamente no ps-guerra como o desenvolvimento industrial do mundo. O desenvolvimento das aplicaes ou das qualidades dos diversos tipos de ao ou ligas de ferro em larga escala s foi possvel graas a abundncia do minrio de ferro, sendo na maior parte na forma de xidos. Por coincidncia o minrio de ferro pode ser reduzido num redutor extremamente abundante que o carvo. Desta forma, passou-se ento a desenvolver mtodos e mquinas que associassem a esses trs elementos: - Abundncia de minrio; - Abundncia de carves; - Abundncia de aplicaes; Resultando um processo chamado "Alto Forno". 04.2.1 ALTO FORNO O alto forno um tipo de forno de cuba empregado na produo de ferro gusa, pela fuso redutora de minrios de ferro em presena de carvo vegetal ou coque e fundente, os quais so carregados no topo e, na descida, so transformados pela ao dos gases ascendentes, provenientes da combusto do carvo com o oxignio soprado pelas ventaneiras, obtendo-se escria e ferro gusa lquidos pelo cadinho e poeiras e gases no topo.

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Fig.4.1 Esquema mostrando um alto forno e seus principais equipamentos perifricos,

como os regeneradores, ventoinhas, sistema de coleta de gases, casa de corrida, correia transportadora principal e carro torpedo.

04.2.1.1 - FERRO GUSA E SUBPRODUTOS Em um Alto Forno, o ferro gusa o principal produto e o gs de topo, p e escria, so recuperados como subprodutos. 1 - Ferro Gusa O ferro gusa pode ser diferentemente classificado de acordo com a matria prima usada, constituintes e utilizao. Geralmente dividido em gusa para aciaria, gusa para fundio e gusa para ligas. Na utilizao para aciaria o gusa usado proveniente da mesma usina, desta forma, normas internas so feitas para controlar a composio qumica do mesmo. 2 - Sub Produtos a) Gs de Alto Forno O gs de Alto Forno contm de 21 a 25% de CO, 18 a 22% de CO2, 2 a 5% de H2 possuindo 700 a 800 kcal/Nm de poder calorfico e por isso ele recuperado e usado como combustvel.

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O gs limpo (no sistema de limpeza de gases), colocado em uso para diversos fins, tanto "puro" como em mistura com gs de coqueria ou com gs de convertedor. b) P de Alto Forno O p recolhido no sistema de limpeza de gases, formado pelo p recolhido no balo de p (dust catcher) e pelo p mido recolhido nos "Venturi scrubber" e/ou precipitadores eltrostticos. A composio de p varia de acordo com a matria prima usada, porm, aproximadamente composto por 25 a 40% de Ferro; 40 a 45% de C; 5 a 7% de SiO2 e 2 a 4% de CaO. c) Escria de Alto Forno A quantidade de escria produzida normalmente 250 a 340 kg/t de gusa. A escria de Alto Forno era descartada, porm agora ela um subproduto se apresentando na forma de escria bruta (aterros) e escria granulada (usada na fabricao de cimento). 04.2.1.2 - IMPACTOS AMBIENTAIS GERAIS CAUSADOS PELA ESCRIA Como a fabricao de metal necessita de muitos minerais, principalmente o minrio de ferro e a sua etapa final o resduo escria, a desestabilizao do meio ambiente inerente. Os rejeitos metlicos gerados pela atividade siderrgica, pela movimentao intensa de caminhes e mquinas e pela prpria lixiviao dos montes de escria, so em grande parte acumulados nos sedimentos, devido suas caractersticas fsico-qumicas, tais como a granulometria fina das partculas e os valores do seu pH, contribui para a precipitao de metais na interface sedimento-gua. Alguns bioacumuladores, presentes tanto no sedimento, quanto na gua, servem de alimento aos seres humanos, o que implica dizer que os metais podem chegar a eles. O impacto da escria sobre o meio ambiente pode ocorrer de maneira direta ou indireta. O impacto direto ocorre quando a escria est na fase lquida, e o impacto indireto quando a escria est na fase slida. Na fig.4.2, apresenta-se os impactos da escria, de uma maneira geral.

Solubizao Lixiviao Condensao Vaporizao

Escria Lquida Escria

Slida

Escria

Fig.4.2 Fluxograma dos impactos ambientais gerais da escria de alto forno.

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Observando a fig.4.2, percebe-se que a escria produz impacto ambiental direto quando na fase lquida, por meio da vaporizao e condensao, que dependem da temperatura e da composio qumica. O vapor pode conter partculas de xido, hidrxido, cloreto, sulfato, sulfito, fosfato ou mesmo na forma elementar. Quando a temperatura alta, entre 1000C a 1600C o impacto ambiental predominante a vaporizao, quando a temperatura menor do que 1000C, o impacto predominante a condensao, onde predominam os sulfatos. Os estudos concluem que o impacto ambiental depende da viscosidade da escria, propriedade que fortemente afetada pela temperatura. Quanto aos impactos indiretos, so a lixiviao e a solubilizao. Os ensaios de lixiviao so realizados, visando simular as condies as quais a escria estar submetida, quando estiver estocada. Tal simulao permite avaliar as propriedades especficas das escrias, bem como a sada de um ou mais constituintes da mesma e se ela influenciar a fertilidade do solo, ou provocar algum tipo de contaminao. Existem inmeros fatores que podem influenciar a relao em que os constituintes so dissolvidos da matriz da escria. Esses fatores so de natureza fsica, qumica e biolgica, sendo que os fatores de natureza biolgica geralmente esto ligados aos fatores qumicos. Os principais fatores qumicos que influem na lixiviao so: o processo de adsoro, o pH do material, as condies de oxidao-reduo, fatores biolgicos que afetam o pH, o potencial de lixiviao dos constituintes e a velocidade de sada dos elementos. Os principais fatores fsicos, que influem na lixiviao so os seguintes: condies hidrolgicas, a permeabilidade da matriz, a porosidade da matriz, a temperatura, o fluxo lixiviante, o tempo de exposio do material, a geometria do material, o tamanho das partculas expostas a lixiviao e a homogeneidade ou heterogeneidade da matriz. Os ensaios de lixiviao disponveis em grande nmero se caracterizam pela especificao dos agentes fsicos e qumicos, tendo todos eles os mesmos princpios bsicos podendo sofrer, pequenas variaes que os aproxime das condies especficas da sua necessidade. Com relao a solubilizao, que um ensaio que tem por objetivo determinar a concentrao dos possveis elementos ou compostos contaminantes em soluo, quando sob condies de saturao, se caracteriza por relaes de lquido/slido baixas, resduos particulados e por tempo de contato que permita alcanar a condio de equilbrio qumico entre as fases lquido-slido. Em suma, a solubilizao determina o potencial contaminante do material atravs da integrao dos parmetros qumicos e fsicos, que so a solubilidade e a porosidade, respectivamente. Outro estudo interessante sobre os impactos ambientais causados pela escria de alto forno, concluiu que as escrias mesmo tendo baixos teores de metais, produzem impactos sobre o solo e sobre as guas subterrneas, salientando, que se deve conhecer os mecanismos de controle do impacto ambiental e no s o conhecimento cientfico sobre o resduo metalrgico (escria).

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04.2.1.3 - CORPO PRINCIPAL DO ALTO FORNO O alto forno pode ser construdo com chaparia de ao extradoce, protegida internamente com uma grossa camada de refratrios dotados de camisas de refrigerao a gua. Historicamente, o corpo principal do alto forno se divide em goela, cuba, ventre, rampa e cadinho, ou seja: 1. TOPO: a parte superior do Alto Forno onde localizam-se os dispositivos de carregamento (cone grande, cone pequeno, bleeders, correia transportadora, etc.) 2. GOELA OU GARGANTA situa-se logo abaixo do cone grande, possui vrias fieiras de placas de desgaste feitas em ao ou ferro fundido para proteger os refratrios do impacto e da abraso da carga ao ser aberto o cone grande. 3. CUBA Regio logo abaixo da goela, os materiais carregados ainda esto no estado granular. 4. RAMPA a regio onde os refratrios esto submetidos aos ataques mais severos, devido ao do calor, presso e ao da escria. Esta regio refrigerada externamente, podendo-se inserir entre os refratrios varias placas de refrigerao ou staves. 5. VENTRE a parte de maior dimetro do Alto forno e regio de alta temperatura. 6. CADINHO Regio que contm o gusa e a escria. O dimetro interno do cadinho mais o volume interno do forno so utilizados para representar o tamanho do forno. 04.2.1.4 ASPECTOS INTERNOS DO ALTO FORNO 1. Zona Granular a regio onde o minrio e coque descem como carga slida, ela engloba a zona de reserva trmica e qumica. Inicialmente, o mineral de hematita (Fe2O3) reduzido a magnetita (Fe3O4) pela ao do gs reduto CO logo aps o carregamento no topo. Durante a descida de carga, ainda na cuba a magnetita continua reagindo com o CO formando ento o xido de ferro wustita (FeO). Finalmente, por volta de 1000oC, logo no incio da zona coesiva ou zona de amolecimento e fuso, a wustita reduz a ferro metlico.

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Esta regio utiliza a carga trmica e o potencial redutor dos gases provenientes das regies inferiores. Portanto, as reaes de reduo so feitas sem consumo de carbono. A temperatura nesta regio varia de 200 a 1000o C. REAES: Para temperaturas entre 200 a 950o C, ocorre preaquecimento da carga e secagem e reduo indireta dos minrios, ou seja: 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 H = - 10,33 Kcal/mol Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 H = + 8,75 Kcal/mol Para temperaturas 900o C ocorre a calcinao do calcrio e as seguintes reaes: CaCO3 CaO + CO2 H = + 43,35 Kcal/mol CO + H2O CO2 + H2 H = - 9,68 Kcal/mol 2CO CO2 + C H = - 41,21 Kcal/mol Para temperaturas entre 950o e 1000o C situa-se a zona de reserva trmica e qumica, e a seguinte reao est em equilbrio termodinmico. FeO + CO Fe + CO2 H = - 3,99 Kcal/mol

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Fig.4.3 Perfil de um alto forno em corte vertical, mostrando as partes externas e as

zonas internas. 2. Zona Coesiva ou Zona de Amolecimento e Fuso (1000 a 1450o C). Nesta regio os minrios amolecem e fundem, a camada de coque permanece slida permitindo o escoamento do fluxo gasoso para as partes superiores (cuba) do alto forno (janelas de coque). Aparece a formao de ferro metlico e escria primria lquida com baixo ponto de fuso (1300o C) e com alto teor de FeO, at 40%. Nesta regio ocorre a reao de Boudouard (CO2 + C 2CO ) altamente endotrmica. Portanto, reduo do xido de ferro nesta regio implica em aumento de consumo de carbono e calor. Reaes: CaCO3 CaO + CO2 H = + 43,35Kcal/mol A reduo direta que ocorre nesta regio resultado da soma