Processamento e Manufatura de Metais 1 Prof. Dr. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR 1

Aula 5 Processos Siderúrgicos 29/05/2013

Processamento e Manufatura de Metais 1 Presença Cobrança da presença 3

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sumário da aula  Secagem;  Calcinação;  Aglomeração;  Coqueificação. 4  Ementa

Processamento e Manufatura de Metais 1 5  Revisão MetalMinériosBeneficiamento do minérioRedução primáriaRefinoImpurezas Ferro Hematita Magnetita Britagem e seleção Sinterização Pelotização Altos-fornos com coque e fundentes Conversores de oxigênio C e Si AlumínioBauxita Refino da Bauxita para produção de alumina Em cubas eletrolíticas com fundentes e criolita ou ciolita EletrolíticoFe e Cu Cobre Bornita Calcopirita Calcosita Cuprita Malaquita Concentração Ustulação Calcinação Lixiviação Redução eletrolitica Cementação redutora Pirometalurgia EletrolíticoFe e O ZincoBlendaUstulaçãoRedução eletrolíticaEletrolíticoFe, Cu e Si EstanhoCassiteritaConcentraçãoEm fornos de pirólise Liqüação Solubilização Oxidação eletrolítco Fe, Cu, Pb, As, Sb, Al, Ti e Bi

Processamento e Manufatura de Metais 1 6  Blenda Minério de Zn

Processamento e Manufatura de Metais 1 7  Secagem Iron Ore Limestone Coal Pellets Sinter Crushed Coke Ovens Blast Furnace Slag Molten Iron Scrap Lime & Flux Oxygen Electric Furnace Basic Oxygen Furnace

Processamento e Manufatura de Metais 1 8  Tratamento minérios  Adequar para a utilização; ▫ Umidade; ▫ Remoção compostos; ▫ Ajuste de propriedades;

Processamento e Manufatura de Metais 1 Secagem 9  Eliminação de umidade

Processamento e Manufatura de Metais 1 Secagem  Eliminação de umidade ▫ Superficial e em porosidades; ▫ Não a de ligação; ▫ Evitar incorporação de hidrogênio; ▫ Geração excessiva de gases; ▫ Crepitação (tricamento do minério); ▫ Evitar explosões (evolução vapor d'água); ▫ Redução de custo de transporte; 10

Processamento e Manufatura de Metais 1 Secagem  Reação endotérmica (44,5 kJ/mol);  Temperaturas acima de 100°C ▫ Normalmente entre 200 e 300°C;  Pode ser realizada com menor temperatura de saturação. ▫ Redução de oxidação; ▫ Perigo de explosão; ▫ Auto-combustão; 11

Processamento e Manufatura de Metais 1 Secagem 12  T evap (p) ▫ Manipulação da temperatura de evaporação em função da pressão

Processamento e Manufatura de Metais 1 Calcinação 13  Remoção de compostos

Processamento e Manufatura de Metais 1 Calcinação  Remoção de composto ▫ O processo deriva da reação de decomposição do CaCO 3 ; ▫ Entretanto, o termo é de maior abrangência;  Remoção de carbonatos, e.g. dolomita e magnesita;  Eliminação de água de hidratação, e.g. alumina e cal hidratada; 14

Processamento e Manufatura de Metais 1 Calcinação  Processo ainda mais endotérmico que a secagem;  Temperaturas maiores, em torno de 600 a 1100°C 15

Processamento e Manufatura de Metais 1 Calcinação 16  O processo depende da T°C;  Reação ocorre da superfície para o interior;  Menores granulometrias mais eficiente; ▫ Cuidado com o arraste e a permeabilidade 1 Atm

Processamento e Manufatura de Metais 1 Secagem  Parâmetros de controle: ▫ Umidade inicial; ▫ Umidade final; ▫ Transmissão térmica; ▫ Velocidade de secagem; ▫ Temperaturas envolvidas, ▫ Pressões parciais; ▫ Balanços térmicos. 17

Processamento e Manufatura de Metais 1 Calcinação  Parâmetros de controle: ▫ Perfil de temperatura; ▫ Balanço térmico estagiado (combustão, superaquecimento e calcinação); ▫ Granulometria; ▫ Fração não calcinada; ▫ Reatividade do produto 18

Processamento e Manufatura de Metais 1 Aglomeração 19  Obtenção de finos em aglomerados que viabilizem o processo metalúrgico

Processamento e Manufatura de Metais 1 Aglomeração  Origem dos finos ▫ Extração de minério granulado (bitolado); ▫ Cominuição durante a concentração do minério; ▫ Cominuição para ajuste de granulometria de minério; 20

Processamento e Manufatura de Metais 1 Aglomeração  Os processos surgiram para: ▫ Aproveitamento de finos; ▫ Reaproveitamento de minérios pobres em ferro;  Com a melhor eficiência, em relação aos bitolados, os minérios começaram a ser aglomerado;  Principais processos: ▫ Sinterização e pelotização; 21

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério  Consiste em aglomerar por fusão incipiente: ▫ Finos, coque ou carvão vegetal, fundentes, sínter de retorno e água;  Calor necessário vem do coque ou carvão contido na carga; 22

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério  Mecanismos básicos: ▫ Combustão dos finos fera calor,  1300 – 1400°C o FeO e CaO formam ferritas de cálcio que dissolvem componentes silicosos;  Formação de fases vítreas contendo óxidos de Si, Al, Fe e Ca; ▫ O ar consumido gera porosidade interconectada; 23

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério  Mecanismos básicos: ▫ Para uma boa redutibilidade é interessante a formação de ferritas de cálcio;  Para isso é necessário uma composição de Cao/SiO 2 > 1,8 ▫ Temperaturas elevadas produzem maior resistência mecânica, mas reduzem a Fe de Cálcio e a produtividade por reduzir a permeabilidade; 24

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério  Mecanismos básicos: ▫ A produtividade é função do perfil térmico e velocidade de avanço;  Tamanho de partículas, reatividade do combustível e permeabilidade da mistura; 25

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério 26  Mecanismos básicos: ▫ Desejável um perfil de alta temperatura e estreito  Queima combustível entre 1 – 3 minutos; 

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério  Mecanismos básicos: ▫ Apesar de o perfil entre 1,5 – 2,5 mm apresentar melhores resultados, é aceitável entre 0,3 a 3,0 mm; ▫ Tamanhos maiores aumentam o tempo de queima e alargam o perfil térmico; ▫ Tamanhos menores fazem que a frente de combustão avance com maior velocidade que a transmissão térmica; 27

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério  Mecanismos básicos: ▫ A permeabilidade é essencial para uma manutenção do perfil térmico; 28

Processamento e Manufatura de Metais 1 altura temperatura altura Sinterização de minério 29 Processo Dwigth-Lloyd

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério 30

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério 31

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério 32

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério 33

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério 34  Controle de permeabilidade da carga  Por isso a água é adicionada para aderir as partículas pequenas nas maiores poro partícula de minério finos de minério

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério 35 poro Partícula de minério Material fundido (fundente)

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério 36

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério  Granulometria desejada: ▫ Minério 0,5 a 7,0 mm; ▫ Coque 1,0 a 3,0 mm;  Coque 4% da carga;  Máxima temperatura; ▫ 1300 a 1400°C;  Baixas temperaturas, baixa resistência. 37

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério  Faixa de temperatura; ▫ 1300 a 1400°C;  Baixas temperaturas, baixa resistência.  Altas temperaturas, formação de fase líquida reduzindo a permeabilidade do sínter, além de maiore quantidade de material vítreo, os quais são menos redutíveis 38

Processamento e Manufatura de Metais 1 Sinterização de minério  Faixa de temperatura; ▫ 1300 a 1400°C;  Baixas temperaturas, baixa resistência.  Altas temperaturas, formação de fase líquida reduzindo a permeabilidade do sínter, além de maiore quantidade de material vítreo, os quais são menos redutíveis 39

Processamento e Manufatura de Metais 1 Pelotização de minério 40

Processamento e Manufatura de Metais 1 Pelotização de minério 41  Consiste na aglomeração de finos na forma de esferas da ordem de 10 a 15 mm. ▫ Operação realizada em discos ou tambores rotatórios

Processamento e Manufatura de Metais 1 Pelotização de minério 42  Esse processo depende da força capilar

Processamento e Manufatura de Metais 1 Pelotização de minério  Materiais hidrofílicos são facilmente pelotizados pela maior força capilar;  Maiores áreas superficiais maior a força capilar, ▫ Partículas com tamanhos de 0,15mm com porosidade;  Cal é aglomerante e facilita o processo; 43

Processamento e Manufatura de Metais 1 Pelotização de minério  A pelota obtida é designada “pelota verde” ou “crua”  Resistência mecânica baixa; ▫ Dificuldade de transporte por longos trajetos;  Necessita de tratamento térmico, o qual eleva a resistência em 20 vezes, i.e. 3000N, ▫ Realizado a temperatura de 1300°C 44

Processamento e Manufatura de Metais 1 Pelotização de minério 45  Após queima tem porosidade de 22 a 30%

Processamento e Manufatura de Metais 1 Pelotização de minério 46

Processamento e Manufatura de Metais 1 Pelotização de minério 47

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueficação 48

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueificação  O coque deve apresentar: ▫ Alta resistência (degradação dentro do forno); ▫ Baixa reatividade (reação com CO 2 ); ▫ Baixo teor de enxofre; 49

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueificação  O coque metalúrgico ▫ Produto da destilação do carvão mineral (1000°C);  Maiores temperaturas ou tempo de coqueificação produzem reatividades muito baixas; ▫ Deve tornar-se plástico; ▫ Após volatilização, deve solidificar-se em uma nova estrutura 50

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueificação  O coque metalúrgico ▫ Baixos voláteis tendem a inchar ao formar a fase plástica; ▫ Conteúdos de 23 a 35% de baixos voláteis são utilizados; 51

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueificação  O coque metalúrgico brasileiro ▫ Apresenta alto teor de enxofre; ▫ Necessita cominuição intensiva para remoção da pirita 52

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueificação 53  Bateria contendo retortas

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueificação 54

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueificação 55

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueificação 56  O coque metalúrgico ▫ Gera subprodutos  Hidrocarbonetos;  Gás de coqueria;  Metano;  Hidrogênio;  Monóxido de carbono;  Gás de coqueria ▫ 18MJ/Nm³  Gás natural 35;  GLP 3,6.

Processamento e Manufatura de Metais 1 Coqueificação 57  Principais produtos da destilação do carvão

Processamento e Manufatura de Metais 1 Alto-forno 58