204086-PMM1-Aula 2-MP e Coqueria

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CONCEITOS FUNDAMENTAIS
• METALURGIA: ciência que estuda um conjunto de procedimentos e
técnicas para extração, fabricação, fundição e tratamento dos metais e
suas ligas;
• PIROMETALURGIA: processos de obtenção dos metais por meio de
calor, tais como calcinação, fusão e refino. É a área mais antiga e
tradicional da produção de metais (ex: pirometalurgia do ferro);
• HIDROMETALURGIA: o metal é extraído de seus minérios por meio
de reações em meio aquoso (ex: hidrometalurgia do alumínio,
processo Bayer);
• ELETROMETALURGIA: engloba os processos de redução de minerais
através de eletrólise. Empregados para obtenção de metais como
sódio, magnésio e alumínio (ex: processo Hall-Héroult, alumínio
primário).
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
• ETAPAS DA SIDERURGIA:
- Redução do minério;
- Refino do aço;
- Processos de transformação mecânica (laminação).
• Precedidas por operações de mineração e beneficiamento (aglomeração e
mistura) por processos de pelotização e sinterização;
• MATÉRIAS PRIMAS DA SIDERURGIA:
- minérios de ferro;
- carvão vegetal;
- carvões minerais;
- fundentes (calcário-CaCO3, dolomita-CaCO3.MgCO3);
- sucatas;
- oxigênio;
- ferros-liga (Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Mo, Fe-Cr, etc.).
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
• ÁREA DE REDUÇÃO: produção de ferro gusa (ou ferro esponja);
• Considera-se que a fase de redução é compreendida pelos seguintes setores
básicos:
- pátios de matérias primas ou minérios;
- coqueria (no caso de uso de carvão mineral);
- processos de aglomeração de finos de minério e/ou carvão
(sinterização e/ou pelotização);
- fornos de obtenção de ferro primário (alto forno, redução direta e
fusão redutora).
• Antes do processo de sinterização é necessária a homogeneização da carga
de minério de ferro, pois os depósitos minerais não são homogêneos. Carga
com qualidade adequada e relativamente constante;
• Homogeneização e “blending” (composição química, granulometria e
propriedades físicas).
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Fluxograma típico de matérias primas na siderurgia.
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Pátios primários e de mistura (“blending”) de matérias primas.
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
• ÁREA DE REDUÇÃO: produção de ferro gusa (ou ferro esponja);
• O processo de produção de ferro gusa nos altos fornos consiste em carregar
carga sólida pelo topo do alto forno, enquanto o ar, enriquecido ou não com
oxigênio ou carvão pulverizado é insuflado pelas ventaneiras na parte
inferior do forno;
• A carga sólida é composta por minério de ferro (granulado e/ou sínter e/ou
pelota), coque ou carvão vegetal e fundentes (calcário);
• O coque (ou carvão vegetal) é queimado gerando gases redutores em alta
temperatura. Os gases sobem entrando em contato com a carga descendente,
reagindo, reduzindo e fundindo o minério;
• As matérias primas sólidas levam cerca de 6 a 8 horas para descer até a
região inferior (casas de corrida), na forma de ferro gusa e escória.
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Esquema simplificado de produção do ferro gusa no alto forno.
file:///C:/Users/CCE/Desktop/PMM-1-2018/Alto Forno/1 - Animação do funcionamento do Alto-forno 1.exe
CLASSIFICAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS
• MINÉRIO DE FERRO: portador do principal elemento que é o ferro,
normalmente aparece na forma de óxido. Esta combinação pode ocorrer de
várias formas, originando minérios de composição química e características
diferentes. Destacam-se a hematita (Fe2O3) e a magnetita ( Fe3O4);
• FUNDENTES: matérias primas cujas substâncias agem em determinado meio
escorificando (separando) as impurezas (ganga) introduzidas pelos minérios e
criando condições adequadas para a retirada do gusa;
• CARVÃO MINERAL: costuma ser submetido a uma etapa de beneficiamento
(coqueificação). O coque metalúrgico é empregado como combustível,
redutor, fornecedor de carbono e permeabilizador de carga. Os finos de
carvão são usados para injeção direta;
CLASSIFICAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS
• ADIÇÕES: matérias primas portadoras de elementos que, em menores
proporções, contribuem positivamente para o produto ou processo.
Exemplos: minério de manganês (dessulfurante – MnS) e ilmenita (titânio
para a proteção do cadinho refratário).
• MATERIAIS DE GERAÇÃO INTERNA: são originados dentro da própria usina e
seu aproveitamento traz benefícios econômicos e ambientais. Merecem
destaque: pó de minério, pó de coque, pó de carvão e escória de alto forno.
MINÉRIOS DE FERRO
• HEMATITA: é o tipo mais comum de minério de ferro, constituído
essencialmente pelo óxido Fe2O3. Apresenta um teor nominal de 69,5% de
ferro, mas pode variar de 45 a 68% devido à presença de impurezas (ganga);
• MAGNETITA: constituída essencialmente do óxido Fe3O4 (peróxido), com
teor nominal de ferro de 72,4%, variando na prática entre 50 e 70%. Possui
coloração cinza escuro e propriedades magnéticas que facilitam a sua
concentração nas operações de beneficiamento;
• LIMONITA: consiste essencialmente em hematita hidratada com fórmula
Fe2O3.nH2O, com proporção de moléculas de água variando de 1 a 3. Em
conseqüência o teor nominal de ferro também varia e normalmente não
ultrapassa 65%. Possui coloração marrom ou amarelada;
MINÉRIOS DE FERRO
• SIDERITA: é um tipo pouco frequente de minérios, ocorrendo normalmente
como componente de mistura da hematita e em pequenas proporções. Possui
fórmula FeCO3 (carbonato) e seu teor de ferro varia de 10 a 40%. A coloração
é cinza esverdeado;
• PIRITA: também de pouca importância, normalmente aparece como
componente de mistura de minérios de outros metais (minérios de cobre, por
exemplo). Sua fórmula básica é FeS2;
• ILMENITA: apresenta a fórmula química FeTiO3, correspondendo a 36,80%
de ferro, 31,57% de titânio e 31,63% de oxigênio. Geralmente está associado
com a magnetita e é extraído para a obtenção do titânio, sendo o ferro um
produto secundário.
CARACTERÍTICAS DO MINÉRIO PARA SINTERIZAÇÃO
• O minério de ferro para sinterização é comumente chamado de “SINTER
FEED”, que é uma mistura padrão de diferentes minérios;
• CARACTERÍSTICAS FÍSICAS:
- distribuição granulométrica adequada;
- 0% de fração > 10,0 mm;
- 45% a 60% da fração de 1 a 10,0 mm;
- menos de 15% da fraçãoque provocaram modificações em suas propriedades físicas
e químicas;
• HULHAS: as hulhas são o resultado da decomposição de florestas que
existiram em épocas de condições climáticas favoráveis ao seu
desenvolvimento. Foram posteriormente soterradas durante os ciclos
geológicos;
• Transformações por ação de pressão e calor nos depósitos minerais
(histórico geológico): perda de umidade, redução dos teores de oxigênio e
hidrogênio e aumento do teor de carbono.
• Carvão nacional (Santa Catarina e Rio Grande do Sul) não é adequado para a
produção do coque siderúrgico.
MATÉRIAS PRIMAS DE GERAÇÃO INTERNA
• São matérias primas originadas dentro da usina siderúrgica, decorrentes de
outros processos. Por suas características podem ser utilizadas na
sinterização. Os aspectos ambientais tornaram fundamental a reciclagem de
resíduos;
• As principais matérias primas de geração interna são:
- carepa (laminação a quente);
- pó de alto forno (sistema de coleta de pós);
- lixo industrial (minérios e fundentes);
- geração da calcinação (cal peneirada e britada);
- pó originário do apagamento a seco do coque.
COQUERIA
• Coqueria é a unidade industrial que transforma mistura de carvões minerais
em coque. O coque metalúrgico é empregado nos altos fornos, onde pode
atuar como combustível, redutor, fornecedor de carbono ao gusa e
permeabilizador da carga;
• Os melhores carvões minerais usados na produção de coque metalúrgico
são as hulhas, que são constituídas de carbono fixo, matérias voláteis e
cinzas;
• Para a produção de um bom coque metalúrgico, deve ser preparado uma
mistura de carvões com cerca de 25% de matérias voláteis e abaixo de 8% de
cinzas.
COQUERIA
Fluxograma típico de uma coqueria.
COQUERIA
Imagens de uma bateria de fornos da coqueria da CST, Vitória-ES.
Coqueria
Fluxograma esquemático típico de uma coqueria.
Processo de coqueificação
• Processo desenvolvido na Inglaterra, século XVI;
• Fornos a carvão vegetal versus demanda local;
• Grande contribuição de Abraham Darby (1700);
• Evolução pra duas concepções básicas:
➢ fornos de câmaras ou retortas (subprodutos);
➢ fornos de colméias (sem recuperação).
• Ciclo operacional:
1. preparação de misturas;
2. enfornamento;
3. aquecimento/coqueificação;
4. desenfornamento;
5. apagamento;
6. preparação do coque;
7. tratamento de subprodutos (matérias voláteis).
Características do coque
• O coque é caracterizado por sua resistência a compressão e elevada porosidade;
• Alta resistência ao esmagamento é necessária para que o coque suporte as camadas de
minério, calcário e do próprio coque;
• O coque deve queimar com relativa facilidade, apresentar elevado poder calorífico e
ter grande reatividade com o CO2 para a produção de CO, responsável pela redução do
óxido de ferro;
• Propriedades antagônicas:densidade X porosidade;
• O coque metalúrgico deve apresentar baixa umidade e baixos teores de cinzas, fósforo e
enxofre, que são impurezas no processo de produção dos aços;
• Aquecimento em ambiente fechado → decomposição térmica do carvão →
desprendimento das matérias voláteis→ resíduo fixo (carbono).
Processo de coqueificação
• Cada carga de carvão “cozinha” durante 16 a 24 h, com pouco oxigênio, entre 1000°C a
1100°C, para:
- gaseificar os hidrocarbonetos voláteis e parte do enxofre;
-“concentrar” o carbono no combustível sólido (coque);
• coqueificação interrompida por “abafamento” final com água (ou N2);
• os gases deste cozimento são direcionados para uma planta carboquímica;
• a parte volátil condensável é recuperada como alcatrão:
- no período 1989 a 2004 foram produzidos 0,27 a 0,36 Mm3/ano;
- dos quais, até 42 mil m3/ano usados para gerar eletricidade;
- as partes mais pesadas vão para “piche” e “negro de fumo”;
• a parte mais “seca”, ( composta de N2, H2, CO e hidrocarbonetos leves), conhecida
como gás de coqueria→ gasômetro principal da usina siderúrgica → coqueria,
sinterização, alto forno, lingotamento e laminação, fornos de tratamento térmico.
Características da coqueria da USIMINAS
Parâmetros Unidade Coqueria n°1 Coqueria n°2
Fabricante - Nippon Steel Nippon Steel
Início de operação - 1962 1974
Número de fornos n0 100 110
Produção de coque t/d 1730 3190
Altura dos fornos m 4,0 6,0
Largura dos fornos m 0,4  0,02 0,450  0,03
Comprimento dos fornos m 13,200 15,700
Volume interno m3 19,8 40,0
Volume útil m3 18,35 37,60
Carga do forno t 13,2 27,3
Bocas de enfornar n0 4 5
Câmaras de combustão n0 26 x 102 30 x 112
Etapas da produção do coque
1. Mistura de carvões: os carvões fósseis são os combustíveis sólidos mais
importantes na siderurgia. Rochas orgânicas combustíveis, cuja origem é de
vegetais submetidos a carbonização.
• Baixo poder calorífico;
• Altos teores de cinza (entre 47% e 58%);
• Altos teores de enxofre (1,0% a 4,7%);
• Baixa recuperação, processo de beneficiamento (