EEP-FUMEP_ Edital 02/20116 Obtenção do Ferro e do Aço Prof.MSc. Marcos Eduardo T. Adorno Engenheiro de Materiais – UFSCar Mestre em Engenharia Mecânica.

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1 EEP-FUMEP_ Edital 02/20116 Obtenção do Ferro e do Aço Prof.MSc. Marcos Eduardo T. Adorno Engenheiro de Materiais – UFSCar Mestre em Engenharia Mecânica - Área de Processos de Fabricação – UNICAMP. 1

2 2 Obtenção do Ferro e do Aço

3 3 Matérias Primas Principais Minério de Ferro e Coque em Pelotas 5mm<Pelotas<18mm 5mm<Sinter<50mm 6mm< Minério <40mm granulado Em detalhe

4 4 Processo de Pelotização  Pelotas são aglomerados de forma esférica formados pela pelotização de minérios de Ferro finos com o auxílio de aditivos seguido por um endurecimento a frio ou a quente.  Os aditivos geralmente utilizados são: fundentes (calcário, dolomita), aglomerantes (bentonita, cal hidratada) e combustível sólido (coque)

5 5 Processo de Pelotização

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7 7 Processo de Sinterização  Sínteres: aglomerados de forma irregular e esponjosa formados por meio de um aquecimento (sinterização)finos minério de ferro; fundentes – calcário, areia; combustível – finos de coque; aditivos.  Sínteres: aglomerados de forma irregular e esponjosa formados por meio de um aquecimento (sinterização) da mistura: finos minério de ferro; fundentes – calcário, areia; combustível – finos de coque; aditivos.  Tecnologia criada com o objetivo de aproveitar minérios finos (quantidade crescente no mundo) e resíduos industriais.  A sinterização atual visa basicamente elaborar uma carga de altíssima qualidade para o Alto Forno.

8 8 Forno de ignição Alimentador Chaminé Exaustor Caixa de Despoeiramento Tambor de mistura AB C DEF Silos de armazenagem INSUMOS Finos de retorno Finos de minério Coque Calcário Pó de alto forno Fragmentação do bolo de sinter Peneiramento a quente Sinter Peneiramento a frio Finos de retorno Resfriador rotativo Processo de Sinterização Máquina de sinterização

9 9 Mistura úmida Camada de Forramento Gás Forno de ignição Succção Sinter Zona de Combustão Mistura Seca e Calcinada Ar Gás Succção Antes da queima Durante a queima Forno de ignição Ar Antes da queima Durante a queima Processo de Sinterização – cont. Forno de ignição e evolução do processo

10 10Coqueria  O coque é o produto sólido da destilação de uma mistura de carvões realizada a em torno de 1100 o C em fornos chamados coquerias.  A destilação também dá origem aos produtos carbo-químicos (gases, vapores condensáveis, benzol, alcatrão, etc) que são comercializados pelas siderúrgicas. O gás de coqueria é um importante insumo para a própria usina.  O processo de coqueificação consiste no aquecimento do carvão mineral na ausência da ar.

11 11  Fornecer o calor necessário às necessidades térmicas do processo;  Produzir e "regenerar" os gases redutores;  Carburar o ferro gusa;  Fornecer o meio permeável nas regiões inferiores do forno onde o restante da carga está fundida ou em fusão. O Papel do Coque no Alto Forno Coqueria

12 12 Detalhes do processo Típica Bateria de coqueificação Coque incandescente pronto para ser descarregado Coque incandescente pronto para ser descarregadoCoqueria

13 13 ALTO FORNO é um processo de redução em forno de cuba para a produção de metal líquido (gusa) a partir de pelotas, sinter, minério granulado e coque. COREX ® é um processo de redução em forno de cuba para produção de metal líquido a partir de pelotas, minério granulado e carvão não coqueificável. FINMET® é um processo de redução direta em leito fluidizado utilizando finos de minério de ferro e gás natural, gerando um produto com 92% de metalização. MIDREX® e HyL são processos de redução em forno de cuba utilizando gás redutor rico em CO para a produção de ferro esponja a partir de pelotas e minérios granulado MIDREX® e HyL são processos de redução em forno de cuba utilizando gás redutor rico em CO para a produção de ferro esponja a partir de pelotas e minérios granulado. Produção de ferro primário

14 14 Alto Forno  O alto forno é um forno de cuba que operado em regime de contra corrente.  No topo do forno o coque, calcário, e o material portador de ferro (sinter, pelotas e minério granulado) são carregado em diferentes camadas.  A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por gravidade reagindo com o gás que sobe.  Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dos regeneradores) é injetado através das ventaneiras.  Em frente as ventaneiras o O 2, presente no ar, reage com o coque formando monóxido de carbono (CO) que ascende no forno reduzindo o óxido de ferro presente na carga que desce em contra corrente.

15 15 Alto Forno John A. Ricketts, Ispat Inland, Inc.

16 16  A matéria prima requer de 6 a 8 horas para alcançar o fundo do forno (cadinho) na forma do produto final de metal fundido (gusa). Antes disso, forma-se a “escória”: mistura liquefeita de óxidos não reduzidos, formada por impurezas do minério de Ferro edas cinzas do coque). Estes produtos líquidos são vazados em intervalos regulares de tempo.  Os produtos do alto forno são: o gusa (que segue para o processo de refino do aço), a escória (matéria-prima para a indústria de cimento), gases de topo e material particulado.  Alto Forno

17 17 Alto Forno Reações químicas típicas do Alto Forno

18 18 Alto Forno

19 19 Pré-tratamento do gusa Hot Metal Pretreatment De forma a maximizar a produtividade do Conversor LD ou Forno a Arco Elétrico (EAF) e minimizar os custos de refino é importante executar um pré- tratamento do gusa antes da fase de refino.  De forma a maximizar a produtividade do Conversor LD ou Forno a Arco Elétrico (EAF) e minimizar os custos de refino é importante executar um pré- tratamento do gusa antes da fase de refino.  O pré-tratamento do gusa inclui: - remoção de enxofre - remoção de enxofre - remoção de Silício - remoção de Silício - remoção de fósforo - remoção de fósforo - processos para redução do teor de Va, Cr, Ti e Mn

20 20 Produção do Aço Líquido A produção do aço líquido se dá através da oxidação controlada das impurezas presentes no gusa líquido e na sucata.  A produção do aço líquido se dá através da oxidação controlada das impurezas presentes no gusa líquido e na sucata. Este processo é denominado refino do aço e é realizado em uma instalação conhecida como aciaria.  Este processo é denominado refino do aço e é realizado em uma instalação conhecida como aciaria. O refino do aço normalmente é realizado em batelada pelos seguintes processos:  O refino do aço normalmente é realizado em batelada pelos seguintes processos: -Aciaria a oxigênio – Conversor LD (carga predominantemente líquida). -Aciaria elétrica – Forno elétrico a arco –FEA (carga predominantementesólida). -Aciaria elétrica – Forno elétrico a arco – FEA (carga predominantemente sólida).

21 21 Conversor LD  Responsável por cerca 60% (540 milhões ton/ano) da produção de aço líquido mundial, a tecnologia continua a ser a mais importante rota para a produção de aço, particularmente, chapas de aço de alta qualidade.  Processo industrial teve início em 1952, quando o oxigênio tornou-se industrialmente barato. A partir daí o crescimento foi explosivo.  Permite elaborar uma enorme gama de de tipos de aços, desde o baixo carbono aos média-liga.

22 22 Conversor LD

23 23 Conversor LD

24 24 Aciaria Elétrica  Processo industrial começou no início do século XX.  Inicialmente, o forno elétrico era considerado sobretudo como um aparelho para a fabricação de aços especiais, inoxidáveis e de alta liga.  Atualmente, ele tem sido cada vez mais utilizado na fabricação de aço carbono.  Processo reciclador de sucata por excelência; não há restrição para proporção de sucata na carga.  A participação do aço elétrico no mundo vem crescendo substancialmente nas últimas décadas.

25 25 Aciaria Elétrica

26 26 Metalurgia de Panela Após o refino, o aço ainda não se encontra em condições de ser lingotado. O tratamento a ser feito visa os acertos finais na composição química e na temperatura. Portanto, situa-se entre o refino e o lingotamento contínuo na cadeia de produção de aço carbono.  Após o refino, o aço ainda não se encontra em condições de ser lingotado. O tratamento a ser feito visa os acertos finais na composição química e na temperatura. Portanto, situa-se entre o refino e o lingotamento contínuo na cadeia de produção de aço carbono. Desta forma o FEA ou o conversor LD pode ser liberado, maximizando a produção de aço.  Desta forma o FEA ou o conversor LD pode ser liberado, maximizando a produção de aço. - Forno de panela - Desgaseificação - Desgaseificação

27 27 As seguintes operações podem ser executadas: - Homogeneização do calor; - Homogeneização do calor; - Ajuste da composição; - Ajuste da composição; - Ajuste da temperatura do aço; - Ajuste da temperatura do aço; -Desoxidação – remoção do oxigênio residual do aço e cria condições termodinâmicas para a adição de elementos de liga (os desoxidantes mais comuns são ferro-ligas, escolhidos em função do aço a ser fabricado (FeMn, FeSiMn) e Alumínio. -Desulfuração com escória sintética ou injeção de pós; -Desfoforação Forno de Panela

28 28 Forno de Panela Forno na metalurgia de panela

29 29 É uma operação que tem como objetivo a remoção de gases residuais do aço (hidrogênio, nitrogênio e oxigênio) e secundariamente auxilia na remoção de inclusões.  É uma operação que tem como objetivo a remoção de gases residuais do aço (hidrogênio, nitrogênio e oxigênio) e secundariamente auxilia na remoção de inclusões. Na siderurgia, a desgaseificação é processada de duas maneiras:  Na siderurgia, a desgaseificação é processada de duas maneiras: - Desgaseificação à vacuo - Desgaseificação com sopro de argônio Desgaseificação

30 30 Desgaseficação a vácuoDesgaseificação

31 31 Toda a etapa de refino do aço se dá no estado líquido. É necessário, pois, solidificá-lo de forma adequada em função da sua utilização posterior.  Toda a etapa de refino do aço se dá no estado líquido. É necessário, pois, solidificá-lo de forma adequada em função da sua utilização posterior. O lingotamento do aço pode ser realizado de três maneiras distintas:  O lingotamento do aço pode ser realizado de três maneiras distintas: - DIRETO: o aço é vazado diretamente na lingoteira; - INDIRETO: o aço é vazado num conduto vertical penetrando na lingoteira pela sua base; - CONTÍNUO: o aço é vazado continuamente para um molde de cobre refrigerado à água. Lingotamento

32 32 Lingotamento Contínuo

33 33 O lingotamento contínuo é um processo pelo qual o aço fundido é solidificado em um produto semi- acabado, tarugo, perfis ou placas para subseqüente laminação.  O lingotamento contínuo é um processo pelo qual o aço fundido é solidificado em um produto semi- acabado, tarugo, perfis ou placas para subseqüente laminação.  Antes da introdução do lingotamento contínuo, nos anos 50, o aço era vazado em moldes estacionário (lingoteiras). Lingotamento Contínuo Seções possíveis no lingotamento contínuo (mm)

34 34Conformação A grande importância dos metais na tecnologia moderna deve-se, em grande parte, à facilidade com que eles podem ser produzidos nas mais variadas formas, para atender a diferentes usos.  A grande importância dos metais na tecnologia moderna deve-se, em grande parte, à facilidade com que eles podem ser produzidos nas mais variadas formas, para atender a diferentes usos. Os processos de fabricação de peças a partir dos metais no estado sólido podem ser classificados em:  Os processos de fabricação de peças a partir dos metais no estado sólido podem ser classificados em: -Conformação Mecânica: volume e massa são conservados; -Remoção Metálica ou Usinagem: retira-se material para se obter a forma desejada;

35 35 Os processos de conformação mecânica podem ser classificados de acordo com o tipo de força aplicada ao material:  Os processos de conformação mecânica podem ser classificados de acordo com o tipo de força aplicada ao material: -Compressão direta:Forjamento, Laminação; -Compressão indireta:Trefilação, Extrusão, Embutimento; -Trativo: Estiramento; -Dobramento: Dobramento; -Cisalhamento: Corte. Conformação

36 36  Extrusão: Processo no qual um bloco de metal tem reduzida sua seção transversal pela aplicação de pressões elevadas, forçando-o a escoar através do orifício de uma matriz. Trefilação: Processo que consiste em puxar o metal através de uma matriz, por meio de uma força de tração a ele aplicada na saída dessa mesma matriz.  Trefilação: Processo que consiste em puxar o metal através de uma matriz, por meio de uma força de tração a ele aplicada na saída dessa mesma matriz. Tipos de Conformação

37 37  Forjamento: Processo de transformação de metais por prensagem ou martelamento (é a mais antiga forma de conformação existente). Laminação: Processo de deformação plástica no qual o metal tem sua forma alterada ao passar entre rolos e rotação. É o de maior uso em função de sua alta produtividade e precisão dimensional. Pode ser a quente ou a frio.  Laminação: Processo de deformação plástica no qual o metal tem sua forma alterada ao passar entre rolos e rotação. É o de maior uso em função de sua alta produtividade e precisão dimensional. Pode ser a quente ou a frio. Tipos de Conformação

38 38 Dobramento Forjamento Laminação Trefilação Embutimento Profundo Estiramento Matriz Cisalhamento  Tipos de Conformação

39 39 Lingotamento e Laminação

40 40 Resumo Resumo

41 41 Bibliografia Bibliografia -Askeland, D.R. e Phulé, P.P. - The Science and Engineering of Materials, Thomson Brooks/Cole, 4a ed., 2003. -Padilha, A.F. - “Materiais de Engenharia”, Hemus. São Paulo. 1997. --Chiaverini, V. - “Tecnologia Mecânica”, vols I, II e III, Makron Books, 2ª ed. - Callister, W. D., Jr. - “Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução”, LTC, 5ª ed.