Engenharia de Processos - Siderurgia - Alto Forno

Disciplina: MIN238 – 11ENGENHARIA DE PROCESSOS

(Mineração)

I - Semestre de 2010

Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas

Departamento de Minas

ALTO FORNO

Alto forno

Um alto-forno é, um reator tipo chaminé (cuba), essencialmente, um enorme gasogénio em que, ocorre, simultaneamente, a redução de um minério e a formação de uma escória. O funcionamento écontínuo.

Minério de ferroFundentesCoque (CV)ArVapor de água

Gases secosVapor de água nos gasesGusaPoeirasEscória

Alto forno

Um alto-forno é, um reator tipo chaminé (cuba), essencialmente, um enorme gasogénio em que, ocorre, simultaneamente, a redução de um minério e a formação de uma escória. O funcionamento écontínuo.

Minério de ferroFundentesCoque (CV)ArVapor de água

Gases secosVapor de água nos gasesGusaPoeirasEscória

Siderurgia – Alto Forno

Estrutura do alto-forno:1- Goela: topo do forno reforçado para manter os dispositivos de carregamento e distribuição da carga e receber os impactos destes.2- Cuba: secção tronco cônica 3- Ventre: região cilíndrica sobre a rampa (opcional).4- Rampa: revestida de refratários e sistemas de resfriamento interno; é a zona de fusão dos materiais (gotejamento).5- Cadinho: tem forma cilíndrica, revestida de refratários (grafita) recebe o metal fundido e a escória formada. 6- Ventaneiras :aberturas nas paredes do forno, onde dispositivos de soprado injetam ar quente e/ou combustível (gás, carvão).

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Siderurgia – Alto Forno

Temperaturas no forno:1- Goela: < 500 ºC2- Cuba: entre 700 ºC a 1000 ºC (metade)

3- Ventre: 1000 ºC e 1200 ºC; na região próxima aos sopradores a temperatura supera os 1500 ºC.4- Rampa: 1200ºC e 1400 ºC, pode chegar aos 1800 ºC. Formação de sistema metal – escória –coque.5- Cadinho: zona de estrato metal-escória entre 1500 – 1600 ºC. 6- Ventaneiras : 500 ºC a 1000 ºC.

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Introdução à Siderurgia

Durante o restante do seu caminho pelo Alto-Forno, o gás ascendente suprirácalor para as camadas de carga metálica descendentes, saindo no topo do forno ainda com temperaturas acima de 100°C.

O Alto-Forno é um reator que utiliza o princípio de contracorrente, onde, gases em ascensão reagem e transferem calor para sólidos e líquidos descendentes.

Reator

O ar prèaquecido (torno 1.000ºC) è soprado pelas ventaneiras.

Produz dióxido de carbono que reage com o carvão formando monóxido de carbono.

A umidade do ar, reage com o carvão, formando CO e H2

Reações endotérmicas que geram uma região de alta temperatura aprox. 1850ºC (raceway)

Reator

Siderurgia – Alto Forno –

Principais reações

~ 470°C: 2Fe 2O3 + 8CO = 4Fe + C + 7CO2± 550°C: 3Fe 2O3 + C = Fe3O4 + CO

3Fe2O3 + CO = Fe3O4 + CO2~ 620°C: Fe 3O4 + C = 3FeO + CO

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2620°C a 800°C: FeO + C = Fe + CO

FeO + CO = Fe + CO2± 870°C: CO 2 + C = 2CO900°C: H 2O + C = CO + H2 (água contida)> 970°C: CaCO 3 = CaO + CO2

MgCO3 = MgO + CO2> 1070°C: Fe 2O3 + 3C = 2Fe + 3CO

Fe2O4 + C = 3FeO + COFeO + 3C = Fe + CO

> 1200°C: MnO + C = Mn + COSiO2 + 2C = Si + 2COP2O5 + 5C = 2P + 5CO

> 1260°C: aglomeração de óxidos � escória> 1350°C: fusão da carga (menos o coque)~ 1550°C: O 2 + C = CO2

CO2 + C = 2COH2O + C = H2 + CO

~ 2000°C: FeS + CaO + C = Fe + CaS +CO

Siderurgia – Alto Forno –

Principais reações

(simplificada)

Entrada de ar nas ventaneiras, com temperaturas próximas a 1500°C: fornece combustível e calor.

O2 + C = CO2CO2 + C = 2COH2O + C = H2 + CO

Redução do minério a ferro metálico2Fe2O3 + 8CO = 4Fe + C + 7CO23Fe2O3 + C = Fe3O4 + CO3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2Fe3O4 + C = 3FeO + COFe3O4 + CO = 3FeO + CO2FeO + C = Fe + COFeO + CO = Fe + CO2Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3COFe2O4 + C = 3FeO + COFeO + 3C = Fe + CO

O CO2 de várias reações reage com carvãoCaCO3 = CaO + CO2MgCO3 = MgO + CO2CO2 + C = 2CO

água contida forma combustívelH2O + C = CO + H2

Siderurgia – Alto Forno –

Principais reações

(simplificada)

Redução do silício, fósforo e manganês

A baixas temperaturas:2MnO2 + C = 2MnO + CO2

A altas temperaturas2MnO + C = 2Mn + CO2SiO2 + 2C = Si + 2COP2O5 + 5C = 2P + 5COPraticamente todo o fósforo éincorporado no ferro gusa

Escoriamento (aglomeração de óxidos)CaO + SiO2 = CaSiO3 (escória)

DessulfurizaçãoFeS + CaO + C = Fe + CaS +CO

Alto forno: Exemplo de balanço de materiais baseados em 100,0 Kg de gusa obtidos

Minério (212,70 Kg)Fe2O3 54,93%FeO 8,48%CaO 9,58%Mn3O4 4,97%Al 2O3 3,00%MgO 1,83%SiO2 4,92%H2O 4,48%CO2 7,81%

Carvão de madeira (110,0 Kg)C 86,89%O 3,15%H 0,51%H2O 7,00%Cinzas 2,00%

Gusa (100,0 Kg)C 3,12%Si 1,52%Mn 2,22%Fe 93,14%

Fundente (13,9 Kg)Fe2O3 3,90%CaO 0,53%Al 2O3 3,00%SiO2 78,38%H2O 3,20%

Ar (455,20 Kg; 15,79 mol)CO 2 12,62%CO 25,56%CH4 0,69%H2 1,34%N2 59,79%

Escória (63,76 Kg)FeO 6,00%CaO 32,10%MnO 10,90%Al 2O3 13,00%MgO 6,10%SiO2 28,40%Cinzas 3,50%

Gases secos (617,2 Kg ; 20,77 moles)

Alto forno: Exemplo de balanço de materiais baseados em 1.000,0 Kg de gusa obtidos

Minério

(1.700 Kg)

Carvão

(500,0 Kg)

Gusa (1000,0 Kg)

Fundente

Calcáreo CaCO 3

(250,0 Kg)

Ar (2.000 Kg) Escória

(entre 200 a 400 Kg)

Gases secos

(entre 2.300 a 3.500 Kg)

A produção diária de um alto-forno (Coque) varia en tre 5.000 a 10.000 ton.

SIDERURGIA(matéria prima)

As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes:

• Minério de ferro

• Combustível (Carvão, gás)

• Fundentes (principalmente calcário)

• Adições

• Materiais de geração interna (na usina)

Siderurgia – Matéria Prima

Siderurgia – Matéria Prima

Minério de FerroCarvão MineralCarvão VegetalFundentes e AdiçõesSucata de AçoFerro-Ligas

Industria IntegradaMinério de FerroCarvão Mineral, VegetalFundentes e Adições Sucata de AçoFerro-Ligas

Industria Semi-IntegradaSucata de Aço ou Ferro EsponjaGusa sólidoFundentes e AdiçõesFerro-Ligas

SIDERURGIA(matéria prima – minério de ferro)

É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles:

Magnetita (óxido ferroso-férrico) → Fe3O4 (72,4% Fe).Hematita (óxido férrico) → Fe2O3 (69,5% Fe).

Limonita (óxido hidratado de ferro) → 2FeO3.3H2O (52,3% até 60,3% ).

Siderurgia – Minério de Ferro

Siderurgia – Minério de Ferro - Minerais

1. MAGNETITA: Fe3O4

Cor cinza escura a preta. Contém até 72,4% de Fe. Rochas ígneas, sedimentares e metamórficas.

2. HEMATITA: Fe2O3

Cor cinza brilhante e vermelho marrom. Contém até 69,5% de Fe.Constituinte da maioria dos minérios de ferro no Brasil, é de origem metamórfico.

3. LIMONITA: Fe2O3 . nH2O Cor amarela a marrom, contém entre 52,3% até 60,3% de Fe. É um óxido hidratado com misturas variadas de goetita (αHFe2) e lepidocrocita (ßFe2O3OH2).

4. SIDERITA: FeCO3

Cor clara a cinza esverdeado. Carbonato de ferro, com 48,3% de Fe.

PIRITA: FeS2 (Marcassita)Logo da ustulação na produção de ácido sulfúrico, transforma-se em óxido com até 45,0% de Fe.

ILMENITA : FeTiO3 Até 36,8% de Fe.

Outras substancias típicas nas jazidas:Carbonatos, Sílica, Alumina, Argila, Enxofre, Fósforo, Manganês e Magnésio

BIF: rocha sedimentar ou metassedimentar química ou vulcanoquímica estratificada, 50% de Fe, camadas ritmicamente alternadas de óxidos, carbonatos ou silicatos de ferro.

Itabirito: formação ferrífera bandada (BIF) metamorfisada, 30 a 55% de Fe, níveis de hematita (±magnetita) e silicatos.Itabirito duro (ID): compacto, 43,7% FeItabirito brando (IB): bandado – friável, 54,1% Fe

Siderurgia – Minério de Ferro

Siderurgia – Minério de Ferro

Hematita Semibranda (HSB): minero bandado, hematita – martita, 66,7% Fe.

Hematita Branda (HB): hematita cinzento-escuro, 66,3% Fe.

Hematita Dura (HD): minério compacto, constituído por especularita, com ou sem óxidos ferríferos, sem quartzo, 66,2% Fe.

Hematita Semidura (HSD): minério bandado, especularita+martita – goethita+limonita, 65,9% Fe.

Canga de minério: trata-se do material limonítico (óxidos hidratados de ferro), com argila e pobre em fragmentos detríticos, entre 56,8% e 64,1% Fe, conforma comumente o capeamento das jazidas.

Siderurgia – Matéria Prima – Aspectos Gerais

O minério de ferro é composto por três partes a saber:

Útil → parte que contém o ferro

Ganga → impurezas sem valor direto comercial

Estéril → rocha da jazida ou minério que não contém valor comercial (ou baixos teores de ferro)

Siderurgia – Minério de Ferro

MINÉRIO

GANGA

PRODUTO

ESTÈRIL

O minério de ferro pode ser classificado como:

Rico → 60 a 70% de Fe

Médio → 50 a 60% de Fe

Pobre → <50%

Siderurgia – Minério de Ferro

O minério de ferro para Alto-Forno (Blast - Furnace) deve apresentar as seguintes características:

Alto teor de ferroBaixo teores de álcalis, fósforo e enxofreBoa resistência mecânicaRedutibilidadeGranulometría adequada e mínimo de pó

Fósforo : 100% no gusa e alto consumidor de carvão Álcalis(Na2O e K2O) : escorifica formando cascão dentro do forno.Enxofre e fósforo: fragilizam o aço

Operações mecânicas

LavraBritagemMoagemPeneiramento (classificação pelo tamanho) Homogeneização

Classificação gravimétricaFlotaçãoLavagemCalcinaçãoConcentração magnética

Classificação e concentração

Aglomeração BriquetagemNodulizaçãoSinterizaçãoPelotização

Principais operações de beneficiamento empregadas n a mineração de ferro.

Siderurgia – Minério de Ferro

O termo genérico “beneficiamento” compreende uma série de operações que têm como objetivo tornar o minério mais a dequado para a utilização nos altos-fornos.

Fluxograma de Usina de BeneficiamentoFluxograma de Usina de Beneficiamento

SIDERURGIA

(matéria prima – minério de ferro – produtos acabados )

Introdução à Siderurgia – Ferro (Fe)

a) Mais produzido e consumido no mundo.

b) Ferro doce: Fe praticamente puro.

c) Ferro esponja (DRI): > 92% Fe

c) Ferro gusa: em torno de 4% de C + outras impurezas.

d) Aço: liga ferro-carbono

e) Aço-cromo: aço inoxidável

f) Lata: Fe revestido com Sn (protege contra a ferrugem)

g) Ferro galvanizado: Fe revestido com Zn (protege contra ferrugem)

Classificação dos aços

• Formas comerciais do aço–Para os diferentes usos industriais, o aço é

encontrado no comércio na forma de vergalhões, perfilados, chapas, tubos e fios.

–Vergalhões - são barras laminadas em diversos perfis, sem tratamento posterior à laminação.

• Formas comerciais do aço–Perfilados - São vergalhões laminados em

perfis especiais tais como: L (cantoneira), U, T, I (duplo T), Z.

–Chapas - São laminados planos, encontradas no comércio nos seguintes tipos:• Chapas pretas - sem acabamento após a

laminação, sendo muito utilizadas nas indústrias.• Chapas galvanizadas - recebem após a

laminação uma fina camada de zinco. São usadas em locais sujeitos a umidade, tais como calhas e condutores etc.

• Chapas estanhadas - também conhecidas como Folhas de Flandres ou latas. São revestidas com uma fina camada de estanho. São usadas principalmente na fabricação de latas de conservas devido sua resistência à umidade e corrosão.

• Tubos - Dois tipos de tubos são encontrados no comércio:–com costura - Obtidos por meio de curvatura de

uma chapa. Usados em tubulações de baixa pressão, eletrodutos etc.

–sem costura - Obtidos por perfuração a quente. São usados em tubulações de alta pressão.

–Os tubos podem ser pretos ou galvanizados.