Devido a sua característica pouco nobre o ferro não se encontra no estado puro na natureza, mas sim ligado quimicamente. Estes compostos são na maioria das vezes oxigênio e ferro, que estão misturados a impurezas. Esta mistura de ferro e oxigênio junto com as impurezas é classificado, como minério de ferro. O papel essencial da indústria na fabricação dos aços é separar o minério de ferro das impurezas e depois separar o ferro do oxigênio. O ferro é o quarto elemento mais encontrado na crosta terrestre depois vem o oxigênio, silício e o alumínio em primeiro. 

As jazidas globais de minério de ferro estão estimadas em mais de 100 bilhões de toneladas. Os minérios de ferro mais importantes são:

Magnetita (Fe₂o₄): 60 a70% de Fe, impurezas porosas (ácida), muito magnética.

Hematita (Fe₂O₃): contendo baixíssimo S e P, poroso, com argila e de cor avermelhada.

Limonite (Fe₂O₃): baixa concentração de Fe, minério de ferro difundido, baixa importância econômica.

Siderite (FeCO₂): 30 a 40% de Fe, muito contaminado com calcário e manganês, sem importância comercial.  

Processo no alto forno

Antes de ser transformado no alto forno, o minério de ferro deve ser pré-tratado para ser promovida uma melhora em sua qualidade. O primeiro passo é chamado de beneficiamento e suprimento. Para aumentar a quantidade de ferro com a ajuda do e.g, espuma flutuante ou o processo de separação magnética.

Dependendo do tamanho do Grão, desenvolvido no processo de beneficiamento a operação subsequente quando o grão é grande é a trituração, moagem e peneiramento da pasta de minério de ferro, ao contrário dos grãos finos que devem ser aglomerados por sinterização ou peletização. O processo acima é chamado de “preparação do minério” com o propósito de promover duas qualidades homogenias composição química e propriedades físicas.

Seção do Alto Forno da torre ar quente

O forno é abastecido continuamente pela sua chaminé. A parte interna do forno é chamada de garganta do forno (parte superior até a inferior) composto por chaminé, barriga, estalagem e fornalha. Os materiais usados na transformação do minério de ferro são calcários, pelotas, coque e fluxos, incluindo agentes adicionais e.g que são injetados no forno para a gaseificação do coque, também são injetados combustíveis (carvão, óleo e gás natural) para reduzir o consumo de coque.   As operações no forno estão em conta – fluxo i.e o gás quente flui para cima enquanto que o material transformado caminha para baixo onde será finalmente fundido

As reações mais importantes são:

Queima do coque

Redução do minério de ferro

Gás reformado

Reações secundárias, formação de escória.

O ar quente injetado através do tuyeres oxides, faz com que o carbono do coque incandescente reage com o oxigênio produzindo CO₂ (reação exotérmica entre 1800 a200°C) em seguida o CO₂ imediatamente reage com o coque enquanto o calor é consumido produzindo CO (reação boudouard: CO₂+C=2CO). O aumento de CO reduz o oxido de ferro e outra vez o CO₂ é formado que vai ser reduzido novamente para CO na presença do carbono. como estas reações ocorrem simultaneamente, e como a formação de carbono reduz o oxido de ferro para ferro. Este processo é chamado de “redução direta”.

Em temperaturas abaixo de 1000°C a reação Boudouard não pode ocorrer, desde modo o CO₂ gerado durante o processo de redução, não é reduzido para CO, e sim emitido para a parte superior do forno, nestas temperaturas os óxidos de ferro são reduzidos somente pelo CO. Este processo é chamado de “redução indireta”

Como a reação Boudouard não é possível ocorrer em temperaturas entre 500 e 800°C, o CO₂ e o    carbono são formados pela a decomposição do CO. O carbono gerado tende a produzir poros na pasta do minério, o qual é um defeito indesejável que produz uma redução da velocidade de descida do material no processo do alto forno.

A umidade no alto forno pode reduzir os óxidos de ferro também, como a água é reduzida pelo carbono para formar monóxido de carbono e hidrogênio o qual age como redutor.

O peso i.e da mistura de minério de ferro e fluxos, assim como o coque que estão na terceira chaminé são pré-aquecidos e secados pelos gases. Em temperatura entre 400 e500°C é injetada água hidratada as reações que ocorre do topo a parte inferior do forno são: 

Secagem, pré-aquecimento, desidratação

Redução indireta

Redução direta

Fusão

Os produtos gerados no alto forno são metais fundido contendo aproximadamente 4% carbonos chamado de ferro gusa, escória, gases e poeira. O ferro gusa contém outros elementos considerados residuais, como fósforo enxofre silício manganês nos quais são em parte indesejáveis. Ha vários tipos de metal fundido, que podem ser classificados de acordo com a superfície fraturada (cinza, branco e manchado). e de acordo com a composição química a ser usada. O metal usado para a produção do aço é subdividido em desfosforado e ferro gusa Thomas. O tipo de Ferro gusa usado na fabricação de fundidos são subdivididos em ferro gusa hemático, ferro gusa fundido e ferro gusa especial.

A escória é formada por impurezas e fluxos. O processo no alto forno produz aproximadamente 300 kg de escória para cada 1000 kg de ferro gusa sendo que a escória contém de 92 a 95% de oxido de cálcio, oxido de magnésio, alumina e sílica ácida.

Antes de ser transformado em aço, o ferro gusa é pré-tratado para reduzir a quantidade de elementos residuais indesejáveis, como S, P e Si. Agentes dessulfurizastes como (soda castiça, carbonato de cálcio ou magnésio) são soprados no metal para que o enxofre seja transferido para a escória. Junto com a dessulfurizarão, também e feita a de fosforização do metal derretido pela adição de fluxos contendo calcário ou desiliconizado pela adição de oxido de ferro. As vantagens do pré-tratamento do metal são a melhora do processo de produção e do escoamento do metal.

Processo de redução direta

Os processos de redução direta são técnicas alternativas no alto forno e segue sempre o mesmo princípio: esponja solida de ferro (também chamado de redução direta do ferro, DRI) é produzido pela redução do minério de ferro, com um grau de metalização de 80 para mais de 95%.

Os processos de redução direta são classificados de acordo com o agente de redução empregado (gases ou sólidos) na panela, a redução tem seu desempenho melhorado por:

Processo de forno de cuba vertical: Midrex, Purofer, HyL III

Processo de forno rotativo: SL/RN, Krupp-Codir.

Processo de fluidização: FIOR, carboneto de ferro.

Processo de constatação: HyL I

As vantagens destes processos são um investimento relativamente baixo e o uso do coque que gera uma energia de baixo custo.

 Processo de redução smeltin 

Redução smelting usualmente produz metal derretido de minério de ferro em dois passos. Primeiro passo o minério é completamente ou parcialmente reduzido, segundo a redução final e o odor são levados para fora. Os dois passos seguem em panelas separadas ou zonas separadas da panela. Existem três grupos principais. Elementos gaseificastes, reatores de banho, processos de mistura de energia. Na prática são aplicados os processos COREX. PLASMASMELT.SUMITOMO e KAWASAKI.

As vantagens de tipo de metalurgia são:

Transformação de minério fino, pasta de minério e pelotas.

Transformação do carvão instalado do coque.

Baixo custo de investimento em relação à panela.

Oxigênio Metalúrgico

Os tratamentos do ferro-gusa são chamados de refinamento. Por meio de dois processos, carbono e elementos não-ferrosos são reduzidos a um valor típico, i. e. desejado para o aço. Todos os processos aplicados são mais ou menos baseado no fato de que o metal quente ou ferro-esponja quando injetado oxigênio puro são aquecidos a altas temperaturas oxidando os elementos dissolvidos:

Descarbonização ½: [C] + [O] ⇒} {CO ↑

No processo de refino a escória é formada e o monóxido de carbono escapa como um gás residual. Durante a adição de cal. O objetivo da escória é unir os produtos resultantes da reação de oxidação dos elementos residuais:

Desiliconização: [SI] + 2 [O] + 2 (CaO)⇔ (2CaO ⋅ SiO2)

Reação do manganês: [Mn] + [O] ⇔ (MnO)

Desfosforação:          2 [P] + 5 [O] + 3 (CaO) ⇔(3CaO ⋅ P2O5)

Dessulfurização:         [S] + (CaO) ⇔ (CaS) + [O]

Durante a solidificação uma parte do oxigênio dissolvido é libertado e se combina para formar CO gerando calor “ferver”, o aço se solidifica como “aço doce efervescente”. As segregações resultantes dependerão da quantidade de elementos residuais.

Assim, para melhorar a qualidade de aço, o teor de oxigênio dissolvido no banho de metal tem que ser reduzido pela adição de agentes desoxidantes como silício ou alumínio:

Dependendo do grau de desoxidação o aço pode ser distinguido entre doce, semi- doce, acalmado, acalmado especial.

A injeção de oxigênio sob pressão de cima para baixo leva a uma reação violenta em que o ferro é oxidado para FeO e o C para O No entanto, o FeO é imediatamente reduzido a Fe pelos elementos dissolvidos. A oxidação dos elementos residuais e a formação de FeO estão no reagindo no centro na zona de impacto, que rapidamente leva à formação de uma escória reativa.

Juntamente com o ferro pulverizado e o aumento de CO, uma agitação mecânica vigorosa é criada durante o qual uma emulsão de escória de ferro é formado dando os efeitos desejados de refino para o metal. Como o sopro é continua, há uma diminuição contínua do Si, Mn, C e P dissolvido no banho do metal.

De acordo com as condições de equilíbrio termodinâmico (diagrama Ellingham), o silício, será oxidado na sequência, o carbono, manganês e fósforo. Isso, no entanto, não deve ser entendido de forma que a oxidação do carbono só começa quando o silício e o manganês foram completamente oxidados.

Na verdade, há superposições, dependendo da temperatura e da duração do processo.

Processos de Sopro de Oxigênio

Os processos de sopro de oxigênio mais importantes são:

Processo de sopro de oxigênio na parte superior (processos LD ou LD/ AC)

Processo de sopro de oxigênio na parte inferior (processo Q-BOP)

Métodos combinados

Desenvolvimentos especiais.

Processo LD

Por meio da adição do ar ou através do sopro de oxigênio puro, o equilíbrio térmico pode ser melhorado em relação ao processo SM. Fazendo uso deste efeito, o primeiro LD Conversor iniciou sua operação em Linz / Áustria em 1952. Neste processo o oxigênio puro é usado. Por meio de um lançamento de água refrigerada o oxigênio puro é soprado sobre a superfície do líquido em alta velocidade. A distância do bico da superfície do líquido e a pressão de oxigênio são importantes para controlar a formação de espuma na escória em que as gotas de metal estão suspensas. Assim, a extensão da superfície de reação entre o banho e escória pode ser ajustado.

Devido às altas temperaturas de 2500 – 3000 ° C na zona de impacto o fósforo é oxidado anteriormente ao carbono. Portanto, o teor de carbono no banho sempre é suficiente, a fim de reduzir o teor de fósforo a níveis inferiores a 0,05, sem oxidação do ferro em excesso, o processo de sopro é feito com conversores de até 400 t de capacidade. Após 10-20 min o processo é concluído.

Schematic sequência do processo LLD processo de AC /

Para as cargas com alto teor de fósforo (até 2%), o processo LD não é adequada, já que a escória está saturada com fósforo, e sua reatividade enfraquecida, devido um teor de fósforo de 0,2%. no ferro-gusa. A modificação mais conhecida é o processo LDAC, onde são utilizadas duas escórias para remover o fósforo. Como o processo LD, o oxigênio é soprado através de uma lança de injeção e a distância é reduzida de tempo em tempo até que o teor de fósforo seja reduzido para cerca de 0,2%. Neste momento, o teor de carbono ainda equivale a cerca de 1% quando a escória rica em fósforo é aproveitada. O processo continua injetando cal em pó com um jato de oxigênio. Assim, um conteúdo de fósforo inferior a 0,03% pode ser obtido. A duração deste processo é de cerca de 20 minutos a mais do que a do processo LD, porque há um segundo estágio de sopro, neste processo também são utilizados conversor com capacidade de até 400 tonelada

LD-AC processo (ARBED / Luxemburgo Centro Nacional / Bélgica)

Q-BOP e processos combinados

No processo de Q-BOP desenvolvido no final dos anos 60 na Alemanha (processo OBM), o oxigênio puro é soprado no fundido por baixo, através de bicos de refrigeração montado no fundo do conversor. As principais vantagens
são setups mais curtos, as vezes por causa da agitação do banho ser com maior intensidade, em relação ao LD-LD/AC, produzir menos fumaça marrom e maior produção.

No entanto, para novas plantas siderúrgicas as técnicas de processos combinados de sopro mais frequentes são por baixo ou por cima. Aqui, as desvantagens dos dois tipos de processos, podem ser a mistura insatisfatória do banho (LD-LD/AC) e a adição de escória.

Principais variedades de processos combinados de sopro, utilizados são:

• oxigênio por cima e gás inerte por baixo para agitação
• oxigênio por cima e oxigênio por baixo,

Por este método resultados superiores podem ser alcançados com relação a:

• Fundido mais homogêneo, com melhor distribuição da composição química
• Aceleração do ciclo de sopro
• Melhor rendimento para o ferro e elementos de liga.
• Melhor limpeza
• Menos escória e menos agitação,
• Melhora no tempo de vida do conversor
• Vantagens de custo

Produção de aço / Processo siderúrgico elétrico

O processo de forno elétrico a arco

As altas temperaturas necessárias para este processo são principalmente geradas por arcos elétricos, em casos raros por meio de indução. A quantidade de calor é decisiva na redução do custo e da energia, eletrodos, materiais refratários e capital de investimento levam a uma crescente utilização do forno elétrico a arco para processos de fusão de uma forma eficiente, para todos os tipos de aços.
Com a ajuda de eletrodos de três eletrodos de grafite pode obter temperaturas tão em torno de 3500 º C, permitindo a dissolução de elementos de liga que seriam difíceis de fundir. Isto significa que este método de produção é particularmente adequado para a fusão de todos os tipos de aço liga. O processo de forno elétrico a arco geralmente inclui os seguintes passos:

• Carregamento
• Fusão
• Oxidação ou purificação
• Desoxidação ou refinação (período de redução)

Materiais de carga são, além de sucata, ferro-esponja ou minérios de ferro-gusa, fundentes (calcário, fluorita), agentes de redução (carbono), bem como elementos de liga.

Metalurgia secundária

Por causa do aumento das exigências sobre a qualidade dos aços, é feita uma refinação por tratamento, pois a qualidade não é eficiente quando a refinação do aço é feita no forno.

Portanto, o objetivo de metalurgia secundária, além de aumentar a capacidade de produção, liberando o equipamento de fusão a partir de tarefas metalúrgicos é o de melhorar a qualidade do metal usando os seguintes métodos:

• Ligas mais precisas
• Homogeneização da temperatura e composição
• Descarbonetação
• Dessulfurização
• Desfosforação
• Remoção de elementos indesejados,
• Desgaseificação
• Desoxidação,
• esferoidização de inclusões
• Melhora na limpeza
• Influência da microestrutura na solidificação

Os diferentes processos de pós-tratamento podem ser classificados como:

• Sob pressão atmosférica,
• Sob vácuo,
• Sem o aquecimento,
• Com aquecimento
• Com o auxílio por agitação de gases.
• Com o auxílio de oxigênio ou gases de reação.

Estes tratamentos podem ser realizados na panela, no forno de panela, no conversor ou mesmo nos fornos de arco elétrico. Pode-se distinguir entre as seguintes técnicas:

• Tratamento por agitação de gases em plugs porosos, lanças ou agitação magnética
• Alimentação de agentes de elemento de liga para desoxidação através de funil ou agentes de formação de escória
• Lançamento de sólidos injetados,
• Utilização do eletrodo
• Desgaseificação a vácuo com o auxílio de várias técnicas
• Forno panela com arco elétrico
• Processo de conversão a vácuo.

Ferro fundido

Ele pode ser distinguido entre os dois processos:  lingotamento e lingotamento contínuo, mas o primeiro está rapidamente perdendo a sua importância industrial. A fundição por lingotamento contínuo na Alemanha tem mais de 90% da produção, a proporção mundial alcançou a marca de 60%​​.

Para moldes de fundição de lingote são usados ​​abertos na parte superior, as seções transversais podem ser quadradas, retangulares, circulares, ovais ou poligonais. O ferro funde diretamente da panela despejando nos moldes abaixo. Os produtos fundidos são classificados como blocos e placas, tendo este último uma secção retangular, que representa na largura no mínimo o dobro do comprimento da espessura.

Durante o lingotamento contínuo, o ferro fundido liquido passa sobre a exclusão de ar na panela, e é despejada por um funil com descarga ajustável devido a refrigeração por água, um molde de cobre vertical oscilante define a forma do aço. Durante a solidificação, o material incandescente tem que ser puxado por rolos de condução e são resfriados por pulverização de água. Antes da solidificação completa do material, é feito o apoio de rolos por todos os lados. Depois da solidificação completa acontece a divisão do material por tesoura ou tochas de corte móveis.

Os diferentes tipos de instalações para lingotamento contínuo são:

• Instalações verticais          
• Instalações de estiramento e dobra
• instalações com dobra progressiva
• Instalação tipo curva

Após o estiramento, o material ainda incandescente é muitas vezes conformado por outras máquinas especiais para conformação.

Vazamento contínuo de tarugos, incluindo variáveis ​​de controle.

Processo de evolução que ainda tem como objetivo a fundição contínua de produtos planos como chapas finas ou tiras finas.
Estes desenvolvimentos relacionados com as dimensões dos produtos continuamente fundidos podem ser melhores resumidos como fundição “semi acabada”:

Fundição de chapas finas (espessuras entre 40 a 60 mm),

Tiras fundidas (Espessuras entre 15 a 25 mm),

Tiras finas fundidas (Espessuras entre 1 a 10 mm).

Esse texto foi traduzido por alunos da fatec-sp
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