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INDÚSTRIA SIDERÚRGICA MINÉRIO DE FERRO FinosGranuladosPelotas SUCATA Aço Reciclado Produtos Manufaturados - Indústria Metal-Mecânica PRODUTOS PRIMÁRIOS.

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1 INDÚSTRIA SIDERÚRGICA MINÉRIO DE FERRO FinosGranuladosPelotas SUCATA Aço Reciclado Produtos Manufaturados - Indústria Metal-Mecânica PRODUTOS PRIMÁRIOS DE AÇO Chapas Barras Vergalhões Perfis

2 TIPOS GRANULOMÉTRICOS GERADOS NA MINERAÇÃO DE FERRO GRANULADO ( > 6 mm) PELLET FEED ( < 0,15 mm) SINTER FEED ( < 6 mm >0,15 mm) SINTERIZAÇÃO PELOTIZAÇÃO SINTER PELOTA REATORES DE REDUÇÃO

3 Formas de se obter o ferro metálico: por fornos de redução direta - normalmente se utiliza-se como redutor o gás e como fonte de calor a energia elétrica. A característica principal destes fornos é que a temperatura utilizada no interior dos mesmos é baixa (~ 1100°C) portanto, obtém-se o ferro esponja no estado sólido. por fornos de redução indireta - no seu interior as temperaturas (~ 1900 °C) produzindo-se ferro gusa líquido (~ 1500 °C) e que devido ao elevado teor de carbono (cerca de 4,0%) devera ser tratado posteriormente para a produção do aço.

4 SIDERURGIA VIA ALTO FORNO SINTER FEED GRANULADO / PELOTAS CARVÃO SINTERIZAÇÃO PLANTA DE OXIGÊNIO ALTO FORNO SUCATA ACIARIA LD COQUERIA FERRO GUSA (Líquido) (SINTER) (COQUE)

5 AR RESFRIADOR MÁQUINA DE SINTERIZAÇÃO FORNOS DA COQUERIA ALTO FORNO FERRO GUSA E ESCÓRIA RESFRIADOR REGENERADOR DE CALOR MINÉRIO DE FERRO CARVÃO COQUEIFICÁVEL SINTER PELOTAS GRANULADO COQUE SIDERURGIA VIA ALTO FORNO

6 SIDERURGIA VIA REDUÇÃO DIRETA

7 Ferro Gusa Minério de Ferro Granulado AF E / OU SINTERIZAÇÃO Sinter Sinter Feed Pelota AF E / OU Carvão COQUERIA Coque Fundente PLACAS. Bobinas. Tubos c/ Costura. Chapas TARUGOS. BARRAS. FIO MÁQUINA. VERGALHÕES BLOCOS. PERFIS ESTRUTURAIS. TRILHOS E TALHAS ALTO FORNO LINGOTAMENTO Aço Líquido CONVERSOR LAMINAÇÃO USINA INTEGRADA A COQUE

8 Minério de Ferro Pelota RD E / OU Granulado RD Ferro Esponja Sucata PLACAS. BOBINAS. TUBOS C/ COSTURA. CHAPAS TARUGOS. BARRAS. FIO MÁQUINA, VERGALHÕES BLOCOS. PERFIS ESTRUTURAIS. TRILHOS E TALHAS Gás Natural REFORMADOR Gás Redutor REDUÇÃO DIRETA FORNO ELÉTRICO Aço Líquido LINGOTAMENTO LAMINAÇÃO USINA INTEGRADA REDUÇÃO DIRETA

9 PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETA São processos metalúrgicos para obtenção de ferro a partir de seus minérios, sem que haja a fusão da carga metálica durante o processo. O produto de redução direta de minérios de ferro é denominado "ferro esponja".

10 FERRO ESPONJA É um produto metálico com: - 85 a 95% de Fe - 0,1 a 1,0% de C, podendo chegar a 2,0%C. Tem aspecto esponjoso e é obtido no estado sólido diretamente do minério de ferro a temperatura aproximada de 1100°C.

11 Generalidades: Os modernos processos de fabricação se diferenciam dos antigos por: Sua grande produção; Alto grau de mecanização; Uso de gás natural em quase todos os processos, seja como combustível, seja como gás redutor.

12 Vantagens de utilização do ferro esponja: Na fabricação de aço em fornos elétricos: Trata-se de ferro metálico obtido diretamente do minério em uma só operação, a preços relativamente reduzidos se comparado a grandes siderúrgicas;

13 Vantagens de utilização do ferro esponja: é um produto que substitui em parte a sucata, que esta cada vez mais escassa e preços bastantes irregulares; Com sua fabricação tende-se a reduzir o emprego do coque que é necessário nos Alto-Fornos, pois este redutor necessita de carvão mineral coqueificável e cujas reservas estão cada vez mais escassas.

14 Vantagens de utilização do ferro esponja: 0 ferro esponja e um processo altamente viável em países pouco industrializados, com minérios de alta qualidade, com escassez de sucata e com gás natural em abundância como: BRASIL, MÉXICO, VENEZUELA.

15 PROCESSO CLÁSSICO DE FABRICAÇÃO DE AÇO Produto intermediário Gusa - 2 a 4,5 %C Necessidade de oxidação para 0,40 a 0,10 %C no mínimo.

16 PROCESSOS EMPREGADO EM MINI-ACIARIA PARA FABRICAR AÇO Tem-se a grande vantagem de eliminar o convertedor LD e produzir aço com fornos elétricos a partir minérios de ferro (oxidação limitada...)

17 PROCESSO REDUÇÃO DIRETA Produto não tem produto interme- diário (ou seja não produz gusa) O produto sai com baixo C. eliminando grande parte da oxidação.

18 PRINCIPAIS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE Fe-ESPONJA a) Processos de retorta - HYL - HOGANA b) Processos em fornos rotativos - KRUPP - RENN - SLIRN - STEICO - LURGI - DORED

19 PRINCIPAIS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE Fe-ESPONJA c) Processos com leitos fluidizados - FERRO.H - ESSO-LITTLE - NU-IRON - HIB-NOVALFER d) Processos com fornos de cuba - WIBERG - MIDREX - PUROFER - ARMCO.

20 ALGUNS PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETA

21 PRINCIPAL CARACTERÍSTICA – USO DE GASES REDUTORES

22 1. PROCESSO HOGANNAS É o mais antigo processo de obtenção de ferro esponja que se utiliza na atualidade. Foi desenvolvido por Sieurim, em 1911, na usina de Hôgannas, SUÉCIA. Várias instalações deste tipo na Suécia possuíam em media capacidade de produção de t/ano cada.

23 É um processo de fabricação relativamente caro. 0 Ferro esponja Hogannas tem aplicação como carga em fornos elétricos Em geral tem aplicação onde se exige um ferro esponja de alta pureza.

24 PROCESSO HOGANAS PROCESSO DE FABRICAÇÃO - Os finos de minério de ferro são carregados verticalmente dentro de potes de proteção de material refratário (carbeto de silício).

25 A parede interior do pote fica protegida por uma camada de mistura redutora, (carvão e coque + calcário) de modo a evitar a aderência do ferro esponja na parede cerâmica, e fornecer gás redutor. Os tubos refratários são colocados em carrinhos e introduzidos em fornos túneis (comprimento de 165m para t/ano)

26

27 Os fornos túneis são aquecidos a gás natural ou gasogênio; Os tubos refratários são aquecidos até ºC; Durante o aquecimento o minério é reduzido a ferro sem fusão. Durante a reação parte do redutor e consumido e o restante protege o ferro-esponja contra reoxidação no período de resfriamento.

28 O CO é proveniente das seguintes fontes: (i)Calcário CaCO 3 Δ CaO (s) + CO 2(g) CO 2(g) + C (S) 2CO (g) (ii) produto da combustão do carbono C (s) + O 2(g) CO 2(g) CO 2(g) + C (S) 2CO (g)

29 REDUÇÃO NORMAL Fe 2 O 3(s) + CO (g) 2Fe 3 O 4(s) + CO 2(g) Fe 3 0 4(s) + CO (g) 3FeO (s) + CO 2(g) FeO(s) + CO (g) Fe (s) + CO 2(g)

30 O CO funciona como redutor; O CO funciona como combustível - queima ao sair dos tubos refratários O resfriamento dos tubos é no final do túnel (onde o ar de combustão é pré-aquecido) Os tubos deixam o forno túnel à temperaturas C 150°C são descarregados / ferro britado e compactado, coque - recirculado

31 CONSUMO DE COMBUSTÍVEL Redutor kg coque/t Fe; Energia elétrica para acionar equipamentos auxíliares 75 Kwh/t. FASES DO PROCESSO HOGANNAS Período de secagem e preaquecimento até T- 1200°C; Duração 4 dias; Período de redução (4 dias); Período de resfriamento (4 dias); TOTAL12 dias.

32 VANTAGENS DO PROCESSO HOGANNAS Os minérios finos podem ser tratados diretamente sem necessidade de aglomeração prévia; Se consegue alta metalização; Pode-se utilizar minérios com granulometria inferior 25mm; Pode-se usar carvões de baixa qualidade; Pode-se controlar o teor de enxofre, se necessário, com adições de cal, dolomita calcinada na carga.

33 DESVANTAGENS Alto custo - alto preço dos tubos refratários; alto custo de mão-de-obra (necessita de 27 homens para produzir t/ano); Difícil mecanização; Instalação de pequena capacidade e altos custos.

34 FERRO ESPONJA HOGANNAS Composição: Fe total 97% Fe metálico 93% C 0,25% P 0,010% S 0,010% Ganga 2,0%

35 2. PROCESSO WIBERG Desenvolvido em 1918 em Soederfers, Suécia, por Martin Wiberg; A redução do mineral é feita num forno vertical de Cuba; Em seu interior (forno) o mineral entra em contato com gases redutores (CO (g) e H 2(g) );

36 INSTALAÇÕES DO PROCESSO WIBERG CARBURADOR (produz gás redutor); TORRE DE DESSULFURAÇÃO; FORNO DE REDUÇÃO.

37 Processo wiberg-soderfors CARBURADOR TORRE DE DESSULFURAÇÃO FORNO DE REDUÇ ÃO

38 CARBURADOR (produz gás redutor); forno de cuba vertical contendo coque ou carvão vegetal; o coque/carvão vegetal entram no forno pela parte superior; os gases utilizados no forno de redução entram pela parte superior do carburador; composição de entrada (48% CO, 28% CO 2, 20% H 2 e 10% H 2 O); O gás flui de cima para baixo;

39 CARBURADOR (produz gás redutor); o gás é aquecido por pares de eletrodos inclinados com tensão entre 110 e 220 V; adiciona-se H 2 O no carburador para gerar H 2 ; H 2 O + C H 2 + CO CO 2 + C 2CO o gás sai pela parte inferior do carburador a ~1100º C 60% CO, 3,0% CO 2, 2,0% H 2 O, 25% H 2.

40 Processo wiberg para t

41 TORRE DE DESSULFURAÇÃO forno de cuba vertical com refratário dolomítico; serve para absorver parte do S do gás que sai do carburador; carrega-se na parte superior a dolomita; o gás do carburador entra na parte inferior e sai na superior em contra corrente com a dolomita; o dolomito calcinado sai na parte inferior da torre com ~5 a 7% de S na forma de CaS e MgS.

42 o consumo de dolomita é de cerca de 60kg/t de Fe; Suficiente para garantir que o %S no Fe esponja não ultrapasse 0,002% a 0,004%; FORNO DE REDUÇÃO forno vertical de cuba; o minério é carregado no parte superior do forno e é pré- aquecido com a queima de parte do gás ascendente (~1/4 do forno) – injeta ar; o gás proveniente da torre de dessulfuração entra no forno pela parte inferior a ~ 1000 ºC;

43 75% do gás ascendente é desviado para o carburador na metade do forno; 25% do gás restante segue reduzindo o minério, e é queimado para pré-aquecimento do minério. o gás queimado para aquecimento do minério tem a seguinte composição: 11%CO 2, 4,5%H 2 O, 15%O 2 e 65%N 2

44 REGIÕES DO FORNO DE REDUÇÃO PROCESSO WIBERG 1) Zona de pré-aquecimento parte superior do forno; minério é pré-aquecido pela queima do gás ascendente; temperatura de pré-aquecimento T ~ 600º C 2) Zona de pré-redução situada na parte superior imediatamente abaixo da zona de pré-aquecimento

45 Reações 3Fe 2 O 3(s) + CO (g) 2Fe 3 O 4(s) + CO 2(g) 3Fe 2 O 3(s) + H 2(g) 2Fe 3 O 4(s) + H 2 O (g) Fe 3 O 4(s) + CO (g) 3FeO (s) + CO 2(g) Fe 3 O 4(s) + H 2(s) 3FeO (s) + H 2 O (g) TEMPERATURAS ~800 ºC

46 REGIÕES DO FORNO DE REDUÇÃO PROCESSO WIBERG 3) Zona de Redução Temperaturas ~ 1000 a 1200 °C; ReaçõesFeO (s) + CO (g) = Fe (s) + CO 2(g) FeO (s) + H 2(g) = Fe (s) + H 2 O (g) 4) Zona de resfriamento situada na parte inferior do forno; a temperatura do Fe esponja baixa ~ 150º C; a parede do forno e resfriada com H2O.

47 CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO WIBERG pode-se usar sinter, pelotas ou minério bitolado granulometria do minério mm % Fe > 65% % de P o mais baixo possível consumo de coque ~ kg/t Fe consumo de eletricidade ~ kwh/t Fe

48 VANTAGENS DO PROCESSO a) baixo investimento de capital b) Processo contínuo c) Fácil mecanização DESVANTAGENS a)deve-se utilizar minério de alta pureza e alta redutibilidade - poroso); b) o carburador utiliza combustíveis caros (coque, carvão vegetal);

49 c) produção pequena, apenas 80 t/dia; d) os materiais devem possuir boa resistência mecânica e uma certa granulometria para dar permeabilidade a passagem dos gases redutores.

50 FERRO ESPONJA WIBERG Composição: Fe total 90% Fe metálico 82% C 0,9% P 0,010% S 0,010%

51 3. PROCESSO DE REDUÇÃO DIRETA MIDREX foi desenvolvido pela empresa norte americana Midland Rose – 1965; em 1973 tinha 4 plantas de caráter industrial nos U.S.A.; ocupa o 1º lugar em número de unidades operacionais no mundo; capacidade de produção t/ano.

52 diagrama do processo Midrex

53 PROCESSO Os minérios (pelotas, sinter) são reduzidos num forno de cuba por um gás gás redutor ( ~ 50% CO e 30% H 2 ) e obtém-se o ferro esponja no estado sólido. PRINCIPAIS INSTALAÇÕES 1) reformador - onde prepara o gás redutor; 2) forno de Redução - redução e resfriamento do ferro.

54 Reformador O gás redutor e obtido pela reação do (CH 4 ) com o gás do topo do forno de redução (H 2, CO 2, H 2 O, CO) produzindo praticamente CO e H 2 com auxilio de um cataiizador (Ni); Reformador é uma câmara de aquecimento revestida internamente de refratário; O reformador é aquecido pela mistura (ar + gás natural + gás de topo)

55 REFORMADOR O forno é atravessado por tubos refratários contendo o catalisador (Ni ou pentóxido de Va), onde passa a mistura gasosa (gás natural + gás topo) Em alta temperatura (1000° C) ocorre as seguintes reações dentro do tubo: CH 4 + CO 2 2CO + 2H 2 CH 4 + H 2 O CO + 3H 2

56 a temperatura do reformador é limitada pelos tubos refratários é projetado para reformar misturas gasosas com: 50% gás natural, 50% gás de topo

57 COMPOSIÇÃO DOS GASES gás de topo: 25% CO, 20% CO 2, 30% H 2 e 25% H 2 O (antes do resfriador T = 320 o C após T = 50 o C gás natural: 90%CH 4, 10%C 2 H 6 gás reformado: 36%CO, 50% H 2, 4% (CH 4 + CO 2 ) Trata-se de um processo continuo

58 FORNO REDUTOR especificação típica: diâmetro inferior - 4,8 m volume interno m 3 possui duas regiões 1)zona de Redução: parte superior o minério (sinter, pelota) é introduzido na parte superior do forno são reduzidos pelo gás reformado ascendente do forno a T ~ C 2/3 do gás do topo e misturado com gás natural e leva­do ao reformador. 1/3 - combustível para o reformador

59 Reações 3Fe 2 O 3(s) + CO (g) 2Fe 3 O 4(s) + CO 2(g) 3Fe 2 O 3(s) + H 2(g) 2Fe 3 O 4(s) + H 2 O (g) Fe 3 O 4(s) + CO (g) 3FeO (s) + CO 2(g) Fe 3 O 4(s) + H 2(s) 3FeO (s) + H 2 O (g) FeO (s) + CO (g) Fe (s) + CO 2(g) FeO (s) + H 2(g) Fe (s) + H 2 O (g)

60 Processo Midrex

61 2) zona de resfriamento: parte inferior, perfil cônico, não revestido de refratário gás frio (20% CO + 40% H 2 ) é recirculado em circuito fechado; resfria o ferro esponja para sair a T ~ 35 0 C para evitar oxidação o processo de obtenção do ferro esponja dura aproximadamente 6 horas.

62 PROCESSO MIDREX

63 4. PROCESSO PROCESSO HYL - desenvolvido em 1953, México pela Hojolata Y.Lamina; - é aplicável em Paises que dispunham de metano (CH 4 ) a baixo preço e minério de alta qualidade; - * A ganga não pode ser escorificada; - é um processo descontinuo (4 retortas); - os minérios são reduzidos pelo gás redutor obtido de gás natural reformado com excesso de H 2 O.

64 PROCESSO HYL III

65 Inicio de funcionamento da 11 a instalação; t/dia – t/dia; Inicio de utilização de pelotas (9 a 15mm); - de todos os processos atuais de fabricação de ferro esponja o Hyl e o que leva mais anos fabricando grandes qualidades; - é o processo que produziu de maior quantidade de ferro es­ ponja no mundo

66 - o gás reformado passa sucessivamente por 3 reatores em serie; - em cada um dos reatores o gás efetua distintas operações de redução; - na saída do 3 º reator o gás é utilizado como combustível em operações auxiliares; - Cada reator possui um pré-aquecedor de gás e uma torre de resfriamento.

67 - cada reator funciona independente dos demais; - o gás redutor é preparado num único forno de reforma; - o gás natural mais vapor passa por tubos inoxidável contendo o catalizador de níquel; -Os tubos são aquecidos externamente a 800 o C CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 gás redutor – 16% CO; 3% CH 4 ; 0,3%N 2 ; 72%H 2 ; 8%CO 2 -

68 - o gás reformado passa sucessivamente por 3 reatores em serie; - em cada um dos reatores o gás efetua distintas operações de redução; - na saída do 3 0 reator o gás é utilizado como combustível em operações auxiliares; - cada reator possui um pré-aquecedor de gás e uma torre de resfriamento do gás;

69 DIFERENTES FASES DE TRABALHO DE REATORES 1 - Descarga do ferro esponja e carga de minério. 2 - Redução secundária dos óxidos ferro. - os gases quentes usados anteriormente na redução principal em outro reator aquecem e reduzem parcialmente o minério Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 Objetivo - aquecer o minério (pelotas) 3 - Redução principal do oxido - o minério sofreu uma redução parcial na redução secundaria. - continua o aquecimento do minério e completa a redução final do óxido de ferro (Fe 3 O 4 FeO Fe)

70 PROCESSO HYL I

71 - o gás redutor utilizado e novo e recém preparado no forno de re­forma; - o gás e pré-aquecido p/ t 1050 C de entrar no reator. 4 – Resfriamento do ferro esponja - o ferro esponja quente é resfriado pelo gás redutor (reforma) frio; -pode haver alguma redução; -ocorre carburação do ferro esponja ~ (1 a 2%) 2CO = CO 2 + C - cada fase da redução em cada reator dura em media 3 horas.

72 -cada fase da redução em cada reator dura em media 3 horas; - portanto o processo dura em média 12 h; - num determinado instante cada um dos 4 reatores se encontra num período diferente do ciclo.

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74 PERCURSO DOS GASES NO PROCESSO HYL 1 a ETAPA - RESFRIAMENTO DA CARGA 0 gás reformado ao sair do reator de reforma troca calor com uma caldeira p/produzir vapor Em seguida passa num resfriador p/condensar o vapor d'água Depois de frio, o gás se destina ao reator que esta em resfriamento do ferro-esponja quente

75 o gás resfria o ferro-esponja e se pré-aquece; devido a alguma pré-redução, o gás absorve água; então o gás passa num resfriador p/condensar a água. 2 a ETAPA - REDUÇÃO PRINCIPAL o gás passa por um pré-aquecedor tubular (aquecido com gás combustível saído do 3 o reator; a temperatura do gás aumenta para 800°C; entra numa câmara de combustão parcial controlada (gás redutor + ar)

76 a temperatura sobe para 1050°C; em seguida o gás entra no reator em que o material sofreu redução secundária e está quente; realiza a redução principal; saída do gás com mais CO 2 e H 2 O; passa num resfriador p/ condensar H 2 O

77 3 a ETAPA - REDUÇÃO SECUNDARIA o gás é novamente pré-aquecido no pré-aquecedor e posteriormente na câmara de combustão até t~ C O gás entra no reator que foi recentemente carregado para fazer a redução secundaria e pré-aquecer a carga posteriormente o gás passa num resfriador p/condensar H 2 O; o gás é então utilizado como combustível nos fornos de preaquecimento e de reforma do gás.

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79 Composição química dos gases envolvidos no processo Gás combustível H 2 – 30% CO 2 – 22% CO – 16% N 2 – 32% Gás reformado H 2 – 72% CO 2 – 8% CO – 16% N 2 – 0,3% CH 4 – 3%

80 Composição química dos gases envolvidos no processo Gás de redução principal H 2 – 63% CO 2 – 10% CO – 17% N 2 – 8% CH 4 – 2%

81

82 ciclo operatório do procedimento HyL 1234 Reator 1Redução Secundária Redução Principal ResfriamentoCarga e Descarga Reator 2Carga e Descarga Redução Secundária Redução Principal Resfriamento Reator 3ResfriamentoCarga e Descarga Redução Secundária Redução Principal Reator 4Redução Principal ResfriamentoCarga e Descarga Redução Secundaria


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