24 - SIDERURGIA I
O ferro quimicamente puro se obtêm por redução do óxido de ferro puro e uso do hidrogênio, ou por eletrólise de solução aquosa de sais de ferro puro. O ferro industrial é obtido com a redução dos seus óxidos pelo carbono.
O ferro industrial não é metal quimicamente puro, mas sim, uma liga, com elementos que se adicionam intencionalmente ou não, e em parte, são absorvidos durante a obtenção, influindo nas propriedades deste metal.
O ferro comum se oxida rapidamente ao ar úmido formando hidróxido de ferro (ferrugem) e em estado incandescente ao ar, cobre-se de uma capa que separa-se em escamas, como óxido ferroso-férrico (Fe3O4)
Metalurgia é o conjunto de tratamentos físico-químicos a que se submete os minerais para deles extrair-se os metais.
Siderurgia :- é específica para o ferro, é a metalurgia do ferro e do aço.
O ferro encontra-se em abundância na crosta terrestre em teor aproximado de 4,2% , quantidades estas menores apenas que a do alumínio e o silício.
Considerando-se as dimensões das jazidas conhecidas como reservas de ferro, a Rússia aparece em primeiro lugar, seguida pela Índia, e em terceiro lugar o Brasil, onde sua obtenção teve inicio em pequenos fornos utilizando-se carvão vegetal.
Fatores fundamentais na expansão da indústria do ferro:-
1. Substituição do carvão vegetal pelo coque mineral.
2. Descoberta do processo Béssemer, Thomas, Siemens-Martim, de transformação do ferro "gusa" em aço, que permitiu o uso de minérios com elevado teor de fósforo.
"Gusa" liga metálica obtida em alto forno resultante da redução do minério pelo carvão.
3. Descoberta de fenômenos eletromagnéticos e das propriedade magnéticas do ferro. (aperfeiçoamento do princípio fundamental da construção de motores e dínamos )
4. Melhoria nas propriedades do aço pela adição do manganês dando origem aos aços especiais.
Minérios de ferro:-
Existem mais de 200 minérios , dentre os quais cinco são os mais importantes, e encontram-se em forma de óxidos e carbonatos em grandes concentrações.
O uso destes minerais está condicionado ao seu teor, quanto menos ferro e maior o teor de impurezas, maior será o resíduo de obtenção (escória) e portanto mais alto consumo de combustível ( teor mínimo econômico aprox. 28% )
1. Magnetita:- Fe3O4 contêm TiO2 e fosfatos ( teoricamente até 72,4% de Fe.) apresentando cor cinza escura variando até preta, é o único minério magnético. O TiO2 quando reduzido, transforma-se em TiO, formando escória viscosa, que aderindo ao refratário, produz camada envolvente, interrompendo a passagem de gases e fluidos, paralisando o funcionamento do alto forno.
2. Hematita:- Fe2O3 ( teoricamente até 69,5% de Fe ) de cor cinza brilhante, e que ao ser fraturada passa a marrom avermelhada pela exposição ao tempo.
3. Limonita:- Fe2O3.nH2O ( teoricamente até 60% de Fe. ) apresentando cor amarela a castanho, geralmente contendo impurezas de fósforo.
4. Siderita;- FeCO3 (teoricamente até 48,5% de Fe ) de cor cinza a castanho, decompõe-se pela absorção de oxigênio, formando óxido de ferro e CO2.
5. Pirita FeS2. Por ustulação transforma-se em Fe2O3 que apresenta coloração vermelha, ( pigmento ) minério usado na fabricação do ácido sulfúrico.
Impurezas:-
1. SiO2 :- sílica.
2. Al2O3 :- alumina.
3. Carbonatos.
4. Álcalis, CaO, MgO, etc.
5. Outros, F. S. etc.
Os altos teores de impurezas desvalorizam o minério de ferro, e em razão de sua concentração, impossibilitam seu uso como minério, pois passam ao ferro, fragilizando-o.
Em têrmos de siderurgia, utiliza-se o minério de ferro de duas maneiras:-
a) alto forno, onde é reduzido e transformado em gusa.
b) em forno de aço,
juntamente com "gusa", com objetivo de reduzir o teor de
carbono, usando o Fe2O3,
que baixa o teor de carbono e aumenta a pureza do ferro.
Fe + 3 C + 2 Fe2O3 ----> 5 Fe + 3 CO2
Pode-se substituir a Hematita pelo MnO2, ocorrendo o mesmo tipo de reação, com o inconveniente de seu alto preço.
Classificação comercial dos minérios de ferro.
1. Minério para redução em alto forno.
2. Minério para adição no forno de aço. ( baixo teor de Fe )
3. Minério Béssemer:- com baixo teor de fósforo, usado no processo "Béssemer" ou ácido, a gusa é transformada em aço (em forno revestido com sílica )
4. Minério com alto teor de fósforo, para produção da gusa que é transformado em aço, pelo processo básico ou Thomas, (forno revestido com dolomita) no qual usa-se CaO, para eliminar o fósforo.
5. Minério autofluxante:- contêm grandes quantidades dosadas de material para formação de escórias fundentes, auto escorificante, usado em processo ácido ou básico.
6. Minério com alto teor metálico.
1. Minas Gerais:- teor metálico dos mais elevados ( 66% de Fe ) o mais puro, com reservas de 32 bilhões de toneladas.
2. Mato Grosso:- teor metálico mais baixo, e reservas de 50 bilhões de toneladas.
3. Goiás:- alta reserva, com
impurezas de titânio, e teores de 50% de Fe2O3.
4.Bahia, 5. Amazonas. 6. Amapá. 7. Pará ( Carajás ) com até 69% de Fe. 8. São Paulo (região de Jacupiranga ) 9. Santa Catarina 10. Paraná ( Antonina, São José dos Pinhais, Rio Branco do Sul ).
Propriedades do ferro industrial:-
O uso industrial de um metal está condicionado a possibilidade de ser transformado, obtendo, a forma necessária para seu uso.
Os procedimentos para dar a forma necessária são fundamentados em:-
a) Fundição, que depende da fusibilidade do metal.
b) Processo mecânicos:- em altas temperaturas, depende da forjabilidade, e em médias temperaturas, da maleabilidade.
c) Cortes e emendas: dependem da propriedade de se poder separar em partes e solda-las.
Fundição:-
Aquisição de forma mediante fusão do metal, e resfriamento em moldes, á função do seu ponto de fusão, seu calor específico, fluidez, e coeficiente de dilatação, cujas determinações irão condicionar seu uso para determinados fins.
A moldagem por fundição se emprega para o "ferro fundido" ou ferro bruto, não se empregando o metal diretamente do alto forno, e sim após refundir os lingotes em fornos "cubilô".
Ao se usar o ferro maleável ou "aço", em razão de seu ponto de fusão ser bastante elevado, e sua contração aproximadamente o dobro do ferro fundido, o processo apresenta sérias dificuldades.
Forjabilidade:-
É razão da capacidade de um metal suportar em estado sólido e a temperatura elevadas, uma variação acentuada, por ação mecânica de martelos, laminadores, prensas etc, sem que aconteça perda de coesão de suas partes.
Depende a forjabilidade, do limite de elasticidade, resistência e condutibilidade térmica.
A forjabilidade, assim como a
maleabilidade, varia com a composição química.
Maleabilidade:-
Consiste na propriedade de um metal em temperatura normal, sofrer certa variação em sua forma mediante ação mecânica, como martelado, estirado, ou laminado.
A diferença entre forjabilidade e maleabilidade, consiste em que na forjabilidade, pode-se continuar a variação da forma até onde se deseja, desde que, a temperatura da peça não seja inferior que a necessária, enquanto que na maleabilidade, o limite é a intensidade de variação na forma da peça.
Soldabilidade:-
Diz-se que um metal é soldável, quando se pode reunir prensando em altas temperaturas, um contra outro, pedaços distintos, de modo que formem um conjunto único.
A solda ocorre apenas em altas temperaturas onde acontece, formação de óxidos prejudiciais a ação. ( uso de fundentes escorificantes ).
A união das partes, pode ser feita por envoltório, de metal líquido que solidifica-se, ou pela parcial fusão das partes a serem unidas, e que ao resfriarem solidificam-se tornando a peça única.
Manganês:-
Apresenta-se em todo o solo do planeta em proporção de 0,09% (apresenta-se como óxidos, silicatos, carbonatos e sulfetos)
Mais de 100 minerais contêm manganês, e os mais importantes são:-
1. Pirolusita:- MnO2
2. Criptomelano:- KMn8O16 (óxido de manganês contendo potássio )
3. Psilomelano:- BaMn2O3.H2O
4. Rodonita ( MnOSiO2) Rodocronita (MnCO3 ) Alabandita (MnS )
Aplicações do manganês em
forma metálica.
1. Indústria Química (5%):- Ind. Elétrica, Indústria de Fertilizantes ( micro ) Ind. Cerâmica, Ind. de Vidro (elimina a cor atribuída pelo ferro ) Ind. de tintas e vernizes.
2. Indústria siderúrgica( 95%):- Em ação dessulfurizantes ou desoxidante ( redutora )
Dessulfurizante FeS + Mn ---> MnS + Fe ( por diferença de densidade )
Desoxidante FeO + Mn ---> Fe + ( MnO + SiO2) ( forma o silicato que separa-se )
3. Elemento de liga :- Em pequenas proporções em aços comuns, e com maiores, em aços especiais. (mandíbula de britador possui aprox. 14%), formando as ligas :- Fe+Mn , Fe+Si+Mn
Fundentes:-
Substância necessária no forno, para abaixar o ponto de fusão do minério de ferro, para realizar a fusão redutora, e para facilitar a eliminação das impurezas.
Classificação dos fundentes:-
1. Ácidos:- SiO2 teores de 8 a 14%, está presente em todos os compostos, não precisa ser adicionado.
A 1400oC forma silício. que reagindo com o oxigênio, aumenta a temperatura facilitando a refusão.( reoxidação do silício é exotérmica ).
2. Básicos:- retardam a reação formando escórias mais densas e viscosas. CaO AF 48% Aciaría 50% , MgO AF 10% Aciaría 3% , Fe2O3, SiO2 , Al2O3 AF máximo 3%.
3.Neutros:- CaF2 ( Fluorita com 85% de pureza ) Ocasiona a formação de tetrasilício diminuindo a viscosidade da escória ( aumenta a fluidez ).
A escória deve ser fluida, para melhor contato entre ela e a massa fluida do metal, possibilitando, melhor absorção das impurezas que nele sobrenadam.
Preparação do minério de Ferro.
Objetivos:-
1. Separação das impurezas do minério de ferro ( 8 a 10% de SiO2 )
2. Criar dimensões uniformes, e adequadas ao minério, proporcionando boa operação do alto forno.
Grandes dimensões dificultam a redução, e exigem esforço maior de manuseio na carga.
Os finos, diminuem a permeabilidade ou porosidade da coluna de carga.
Permeabilidade no alto forno:-
Os minerais são preparados com o principal objetivo de passagem de maior volume de ar através da coluna de carga, consumindo menor quantidade de coque, e reduzindo maior quantidade de minério.
A velocidade com que o ar atravessa uma coluna cheia de sólidos, depende de sua permeabilidade.
O material que contribui para a permeabilidade é o coque, (colocado em quantidade o dobro do minério ) pois é poroso, mantêm seu tamanho e sua forma, até ser consumido na região das ventoeiras.
A presença de finos, ocupa espaços diminuindo a porosidade da coluna de carga.
Para uma boa operação de alto forno, a granulometria de sua carga deve ser de 10 a 30 mm.
No peneirado da classificação do minério, existem cerca de 55% de finos abaixo de 10 mm, necessita-se então, realizar operação de aglomeração destes finos, para seu posterior uso.
Seqüência dos processo no preparo do minério:-
extração
transporte
britagem
classificação
Após a classificação ,a granulometria de 10 a 30 mm é dirigida ao alto forno, os finos (abaixo de 10 mm) são peneirados, sendo:- os de 0,2 a 10 mm dirigidos a sinterização e abaixo de 0,2 mm destinados a pelotização (na sinterização seriam arrastados pela corrente de ar).
Sinterização:-
Aglomeração de partículas do mineral de ferro, pela fusão parcial, causada por calor de queima de coque adicionado.
Uma composição, é feita com minério fino em granulometria de 0,2 a 10 mm , coque em granulometria abaixo de 1,6 mm, calcário com granulometria abaixo de 3mm (transforma-se em CaO reduzindo o Fe2O3 a FeO ) e água em teor de 6 a 12% da carga para produzir a porosidade.
A mistura devidamente dosada, é homogeinizada em tambor rotativo, que possui em seu interior dispositivo raspador.
Em caixas de liga especial (níquel-cromo-ferro), com fundo perfurado ( 20% de sua área total como vazios -orifícios) é depositada uma camada de mistura, sobre uma camada de material sinterizados anteriormente ( sinter de retorno )
Várias caixas são dispostas formando uma cinta transportadora, sustentadas, por correia metálica também feita em liga especial.
Fonte térmica inicia a combustão na superfície da mistura, gerando temperatura de 800 a 1000oC.
A medida que a correia move-se, uma corrente de ar forçado atravessa a caixa no sentido de cima para baixo, o oxigênio queima o coque incandescente, formando uma zona de combustão que desloca-se para o interior da massa.
A massa adquire então temperatura de 1000 a 1300oC , temperatura esta pouco abaixo da fusão total da mistura.
Com a queima da totalidade do coque, ocorre uma semi fusão das partículas ( finos ) formando o "sinter" , uma massa única, porosa, de partículas soldadas entre s¡.
A massa sólida é resfriada e triturada, seus fragmentos classificados e destinados ao alto forno ( 8 a 10 mm ) e parte ( abaixo de 8 mm ) retorna ao processo na moagem.
Pequena quantidade de "sinter" com granulometria acima de 10 mm, é colocada na caixa sobre a grelha perfurada, formando uma falsa grelha, é o chamado "sinter de retorno".
A falsa grelha ( formada pelo sinter de retorno ) facilita a descarga, evita a exposição do fundo da caixa a altas temperaturas, paralisa a fusão pela ausência de coque no sinter de retorno, e serve ainda como filtro de finos da mistura.
Pelotização:-
É a aglomeração de finos do minério de ferro ( abaixo de 0,2 mm ) em forma esférica, para possibilitar seu uso na siderurgia.
Aos finos, é adicionada água, aglomerante ( CaO, Bentonita) e carvão vegetal.
A mistura após passar por moinho de bolas, segue a misturador rotativo onde são formados os nódulos, e em forno também rotativo por queima em altas temperaturas são consolidados. (forno de clinquer )
Uma seleção por peneiramento, separa os nódulos ( de 10 a 25mm ) que vão para uso em alto forno e os que devem retornar ao sistema de pelotização ( menores de 10 mm).