UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA TECNOLOGIA METALÚRGICA
METALURGIA DO FERRO
FABRÍCIO PINHEIRO BAÍA
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GABRIEL TEIXEIRA FAGUNDES
12188001701
MARCELLO VICTOR DE A. FRANCO
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PAULO PINZ KLEMANN
12188005201
THIAGO M. BRAGA RODRIGUES
12188000601
JUNHO, 2012
SUMÁRIO
01 – INTRODUÇÃO.............................................................................................1 02 – CARACTERÍSTICAS GERAIS.....................................................................1 03 – RESERVAS MINERAIS DE FERRO...........................................................1 04 – PRODUÇÃO................................................................................................2 05 – EXTRAÇÃO.................................................................................................2 06 – BENEFICIAMENTO.....................................................................................3 06.1 – Preparação do Minério...................................................................3 06.2 – Classificação..................................................................................3 06.3 – Concentração.................................................................................4 07 – PELOTIZAÇÃO E SINTERIZAÇÃO.............................................................4 08 – FUNCIONAMENTO DO ALTO FORNO......................................................5 09 – REFINO.......................................................................................................7 10 – APLICAÇÕES..............................................................................................7 11 – CONCLUSÃO..............................................................................................8 12 – REFERÊNCIAS...........................................................................................8
01 – INTRODUÇÃO O ferro é um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre e é o metal mais produzido, inúmeros minerais têm o ferro como componente essencial, porém, são os óxidos que possuem maior concentração desse metal que juntamente com outros elementos, na forma de liga metálica, possui grande utilidade. Tendo em vista estes fatos, esse trabalho apresenta de forma geral e objetiva o tratamento que é dado ao minério de ferro, desde a sua extração em minas a céu aberto até a obtenção de ferro-gusa e ferro metálico, dando ênfase nas etapas de beneficiamento e redução em alto-forno. Verificando também as características e aplicações deste que é o metal mais importante para o homem.
02 – CARACTERÍSTICAS GERAIS O ferro possui coloração cinza prateada, tem propriedades magnéticas e ferromagnéticas. É um metal dúctil, maleável, muito reativo, oxida com facilidade é o mais comum, o mais barato e o mais importante dos metais. Os minérios de ferro são rochas a partir das quais é obtido o ferro metálico. Pode ser encontrado sob a forma de diversos compostos como carbonatos, sulfetos, e principalmente óxidos, tais como a hematita e a magnetita.
Figura 1 – Hematita [UOL Ciência – HSW]
03 – RESERVAS MINERAIS DE FERRO As reservas mundiais de minério de ferro são da ordem de 180 bilhões de toneladas, sendo que a maior parte desse volume está concentrado em apenas cinco países (Ucrânia, Rússia, Austrália, China e Brasil). As reservas brasileiras totalizam 20,4 bilhões de toneladas e estão localizadas em sua totalidade nos estados de Minas Gerais (teor médio de 43,6% de Fe), Pará Metalurgia do Ferro
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(teor médio de 67,6%) e Mato Grosso do Sul (teor médio de 55,6% de Fe). Este alto teor de ferro contido nos minérios brasileiros coloca o Brasil em uma posição de destaque no cenário mundial.
04 – PRODUÇÃO O ferro metálico é obtido a partir de blocos amorfos (minério de ferro). O minério de ferro passa por um processo de concentração e classificação. Posteriormente é levado para fornos de altas temperaturas onde é transformado em ferro-gusa. O ferro-gusa segue então para refinarias onde é transformado em aço e outras ligas metálicas de diversas aplicações.
05 – EXTRAÇÃO Grande parte do minério de ferro no mundo é extraído através de mineração a céu aberto. O planejamento de mina indica a geometria onde vai ser operado, isto é, o local onde o minério vai ser retirado, a infra-estrutura define se vai ser necessário o desmonte da rocha ou esta poderá ser simplesmente cavada para a retirada do composto mineral. Caso a rocha seja resistente é feita a perfuração e posteriormente a detonação. Após a detonação as escavadeiras são levadas até os pontos designados, o minério é carregado por pás carregadeiras e transportados em caminhões fora-de-estrada, com capacidade de cerca de 260 toneladas, até as usinas onde ele será beneficiado.
Figura 2 – Mina de ferro em Carajás, Pará [IG Economia]
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06 – BENEFICIAMENTO O minério extraído das minas segue para o beneficiamento que objetiva concentrar o composto metálico de ferro e adequá-lo ao processo de redução em alto-forno. Este processo consiste nas etapas de fragmentação, classificação e concentração.
06.1 – Preparação do Minério As operações de preparação do minério consistem em reduzir o minério a fragmentos de tamanho apropriado ao seu beneficiamento. O minério de ferro é granulado por britagem (6mm – 40mm de espessura).
Figura 3 – Britador de minério de ferro [Britador de Mandíbulas]
06.2 – Classificação Após ser fragmentado o minério passa pelo processo de classificação que geralmente é feito por peneiramento, mas também pode ocorrer em máquinas como hidrociclones e classificador espiral.
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Figura 4 - Peneira giratória [Shakingtable]
06.3 – Concentração O minério classificado passa pelos processos de concentração denominados espessamento e filtragem. Primeiramente o composto mineral de ferro passa pelo espessamento, onde certa quantidade de água é retirada. Este processo é feito por decantação cumulativa, regida pela Lei de Stokes. O minério de ferro sedimentado no fundo do recipiente é varrido por pás mecânicas e segue para a filtração. A passagem da polpa é então forçada através de um tecido que permite a sua filtragem deixando-o com um baixo percentual de umidade.
07 – PELOTIZAÇÃO E SINTERIZAÇÃO O minério ferro concentrado pode ser transformado em pelotas (5mm – 18mm de espessura) ou sínters (5mm – 50mm de espessura). Estes processos visam reduzir as perdas de matéria-prima e dar ao material dimensões e composições uniformes adequadas a boa operação em aparelhos siderúrgicos. Na sinterização o minério é aquecido sob condições controladas a temperaturas abaixo do seu ponto de fusão a fim de promover a ligação
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metalúrgica entre as partículas e remover as irregularidades e “vácuos”, conferido ao minério as propriedades físicas e mecânicas desejadas. Neste processo a economia do material é levada ao extremo, controlando-se a densidade é possível eliminar “pesos mortos” indesejáveis no produto final. Mesmo levando em consideração a necessidade de operações posteriores de usinagem, uma peça sinterizada normal, usa mais de 97% de sua matéria original. Na pelotização o minério é moldado na forma esférica, através de um tratamento térmico, com características apropriadas para alimentação das unidades de redução. A produção de pelotas permite a adição de maior valor agregado ao produto, sendo possível acrescentar na própria pelota, agentes redutores do ferro.
08 – FUNCIONAMENTO DO ALTO-FORNO A redução dos óxidos para a obtenção do ferro é efetuada em fornos denominados alto-forno. Nele são adicionados os minerais de ferro, em presença de coque, e carbonato de cálcio, que ajuda na formação da escória. Toda a carga de óxido de ferro (minério granulado, pelotas ou sínters), agentes redutores e combustíveis é adicionada anteriormente ao acendimento do forno, sendo necessários meios de entrada e circulação de ar e gases de combustão. No caso da hematita, que apresenta ponto de fusão de 1560 °C. O carbonato de cálcio (CaCO 3) é adicionado para promover a redução do ponto de fusão e reagir com impurezas presentes como o dióxido de silício (SiO 2) formando o metassilicato de cálcio (CaSiO 3), conhecido como escória. O coque (carbono amorfo, com mais de 90% de pureza) é usado para promover a redução da hematita. 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 O2 presente no ar reage com o coque produzindo CO 2. O dióxido de carbono assim produzido e também proveniente do carbonato de cálcio reage com o coque que é constantemente adicionado ao alto-forno, produzindo CO que ascende no forno reduzindo o óxido de ferro presente na carga que desce em contra corrente.
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Figura 5 – Princípio de funcionamento do alto-forno [Science, editada] Na parte inferior do alto forno a temperatura pode alcançar 1900 °C. No forno o carbono do coque reage com o oxigênio para formar o monóxido de carbono 2C(s) + O2(g) → 2 CO(g) No topo do forno, o calcário se decompõe formando CaO e CO2: CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) Em seguida o óxido de cálcio combina-se com o óxido de silício para formar uma escória líquida: CaO(s) + SiO2(s) → CaSiO3(l) No interior do alto-forno a escória fica localizada acima do ferro-gusa (mais denso) e pode ser utilizada como um material para a construção de estradas e para enriquecimento mineral de solos para a agricultura. O dióxido de carbono é reduzido com o coque a monóxido de carbono: C(s) + CO2(g) → 2CO(g) Então ocorre a reação do óxido de ferro com CO. Como por exemplo, a redução da hematita: Fe2O3(s)
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+
3CO(g)
→
2Fe(s)
+
3CO2(g)
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Posteriormente, na parte inferior do alto forno, onde a temperatura é mais elevada ocorre a maior parte da redução dos óxidos com o coque (carbono): 2Fe2O3(s) + 3C(s) → 4Fe(s) + 3CO2 (g) A dessulfuração (eliminação de enxofre) é feita através de uma combustão provocada pela injeção de ar no topo do forno. O ferro-gusa produzido é retirado por meio de aberturas na parte inferior lateral do forno.
09 – REFINO O ferro obtido segue para refinarias onde ganhará propriedades específicas de ligas metálicas, que serão determinadas conforme as aplicações a que se destina o material. Uma dessas unidades é a aciaria, onde o ferrogusa é transformado em aço. A produção de ferro na sua forma mais pura pode ser importante para aplicações específicas e pode ser feita por meio de técnicas tais como a eletrólise, redução do óxido ou hidróxido com hidrogênio ou por formação de um complexo de carbonilo Fe(CO) 5, seguido de decomposição térmica desse composto. 10 – APLICAÇÕES O ferro é o metal mais usado representando mais de 90% da produção mundial de metal. Dada a sua alta reatividade química possui pouca aplicabilidade na forma pura, porém, juntamente com outros elementos tais como níquel, zinco e carbono, é possível formar ligas que possuem uma variedade de propriedades mecânicas, dependendo da sua composição, e são aplicadas desde pequenas peças como chaves de parafusos, pregos e martelos até aplicações de grandes dimensões como navios ou estruturas metálicas para pontes e edifícios. É a principal matéria-prima para a fabricação do aço, material de extrema importância na engenharia e na indústria. Peças automotivas, instrumentos cirúrgicos, ferramentas agrícolas, turbinas geradoras, ferramentas de construção civil, material bélico, plataformas e torres de petróleo são alguns exemplos de utilização do ferro.
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11 – CONCLUSÃO O ferro é um metal de extrema utilidade para o homem e constitui matéria-prima de diversos produtos. Pelo fato de não ser encontrado naturalmente na sua forma pura é necessário que o minério de ferro passe por um tratamento especial que consiste no seu beneficiamento, ao final do qual o composto de ferro deverá ser concentrado e então passará para fornos de elevadas temperaturas (alto-forno), que possuem papel fundamental nesse processo, atuando na redução do minério e tendo como produto principal o ferro-gusa. O ferro refinado, na sua forma pura, possui aplicações específicas, porém quando combinado com outros elementos certas propriedades físicas e químicas lhes são conferidas permitindo sua aplicabilidade nas mais variadas áreas da engenharia e da indústria.
12 – REFERÊNCIAS UOL CIÊNCIA, HOW STUFF WORKS, http://ciencia.hsw.uol.com.br/ferro-e-oaco2.htm, Maio IG ECONOMIA, http://economia.ig.com.br/empresas/industria/maquinas+gigantes+e+paisagem +marciana+nas+minas+de+ferro+da+vale/n1237726864434.html, Maio MINING AND CONSTRUCTION MACHINARY, http://britadordemandibulas.com.br/maquina-pedreira/britador-de-minerio-deferro.html, Maio MADE IN CHINA, http://shakingtable.en.made-inchina.com/product/CbNEyzLlSOWh/China-Small-Size-Rotary-Drum-Sieve-GT.html, Maio SCIENCE CREAFORUM, http://science.creaforum.net/t328-topic, Maio DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL, http://www.dnpmpe.gov.br/Detalhes/Ferro.htm, Maio DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL, https://sistemas.dnpm.gov.br/publicacao/mostra_imagem.asp?IDBancoArquivo Arquivo=6374, Maio DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL, http://www.dnpm.gov.br/assets/galeriadocumento/balancomineral2001/ferro.pdf , Maio BAHIA
MINERAÇÃO,
Metalurgia do Ferro
http://www.bamin.com.br/interna.php?cod=8,
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E-ESCOLA, INSTITUTO SUPERIOR escola.pt/topico.asp?id=466&ordem=4, Maio
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CURSOS UNISANTA, PROCESSOS DE FABRICAÇÃO http://cursos.unisanta.br/mecanica/polari/sinterizacao.html, Maio INNOVATEUS,
HOW
IS
IRON
REFINED
FROM
THE
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http://www.innovateus.net/science/how-iron-refined-ore, Maio WIKIPÉDIA, IRON, http://en.wikipedia.org/wiki/Iron, Maio WIKIPÉDIA, BLAST FURNACE, http://en.wikipedia.org/wiki/Blast_furnace, Maio WIKIPÉDIA, FERRO, http://pt.wikipedia.org/wiki/Ferro, Maio WIKIPÉDIA, GUSA, http://pt.wikipedia.org/wiki/Gusa, Maio WIKIPÉDIA, PELOTIZAÇÃO, http://pt.wikipedia.org/wiki/Pelotização, Maio WIKIPÉDIA, SINTERIZAÇÃO, http://pt.wikipedia.org/wiki/Sinterização, Maio
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