Metalurgia do Ferro Gusa: Processos e Tipos de Minérios

Metalurgia e Processos do Ferro Gusa Bruno Santos Silva Erick Luan Reis Viega Geovana Silva Marques Joselane dos Santos 15 de maio de 2023 Engenharia MecânicaTailândiaPA Prof Dr Geselle Barata Costa 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁUNIFESSPA2023 RESUMO A metalurgia do ferro gusa é um processo complexo que começa com a extração de minérios de ferro e envolve diversas etapas incluindo o processamento da hematita a redução do minério de ferro para ferro gusa e a produção do material final Existem diferentes tipos de minérios de ferro como a pirita hematita e magnetita cada um com suas próprias propriedades químicas e mineralógicas A hematita é o principal minério de ferro utilizado na produção de ferro gusa e passa por etapas de moagem separação magnética e purificação antes de ser reduzida A redução pode ser feita por meio de altoforno processo de redução direta leito fluidizado ou forno rotativo e a produção de ferro gusa envolve a combinação de escória carvão coque calcário e outras matériasprimas Fonte Minas Metais O Ferro Gusa mmetaiscombr 3 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁUNIFESSPA2023 Sumário 1 INTRODUÇÃO 4 2 O QUE SÃO MINÉRIOS DE FERRO E COMO ELES SÃO EXTRAÍDOS 4 3 TIPOS DE MINÉRIOS DE FERRO PIRITA HEMATITA E MAGNETITA4 4 PROPRIEDADES DO FERRO E DA MATÉRIAPRIMA HEMATITA5 5 PROCESSAMENTO DA HEMATITA5 6 TÉCNICAS E MATÉRIASPRIMAS UTILIZADAS NA PRODUÇÃO DE FERRO GUSA A PARTIR DA REDUÇÃO DO MINÉRIO DE FERRO 6 7 QUESTÕES E EQUAÇÕES MAIS UTILIZADAS NA METALURGIA DO FERRO GUSA6 Equação da redução do minério de ferro Balanço de massa no altoforno Equação do resfriamento adiabático CONCLUSÃO9 REFERÊNCIAS10 4 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁUNIFESSPA2023 1 INTRODUÇÃO A metalurgia do ferro gusa é um dos processos mais importantes na indústria siderúrgica O ferro gusa é obtido a partir da redução do minério de ferro em altofornos ou outros processos de redução direta Neste contexto este trabalho tem como objetivo geral apresentar os principais processos de produção do ferro gusa e seus principais aspectos metalúrgicos Os objetivos específicos são Descrever os principais tipos de minérios de ferro e suas propriedades Detalhar o processamento da hematita um dos principais minérios de ferro Apresentar os principais processos de redução do minério de ferro para ferro gusa Explicar a produção de ferro gusa e suas matériasprimas como carvão coque e calcário Com esses objetivos o trabalho pretende fornecer uma visão geral dos processos envolvidos na produção do ferro gusa desde a extração dos minérios de ferro até a obtenção do produto final 2 O que são minérios de ferro e como eles são extraídos A metalurgia do ferro gusa é um processo industrial que envolve a extração e produção de ferro a partir de minérios de ferro Os minérios de ferro são rochas que contêm minerais de ferro em concentrações suficientes para serem economicamente extraídos Os minérios de ferro são encontrados em todo o mundo mas a maioria das reservas estão concentradas em países como Brasil Austrália e China Para extrair o ferro dos minérios de ferro é necessário um processo de redução química que remove o oxigênio dos minerais de ferro Esse processo é feito em altos fornos utilizando uma mistura de minério de ferro carvão e calcário O carvão é queimado para fornecer calor e monóxido de carbono que reage com o minério de ferro para produzir ferro gusa líquido Segundo um artigo científico de José Adilson de Castro a extração do minério de ferro é realizada através de métodos como lavra a céu aberto e subterrânea Na lavra a céu aberto são utilizadas escavadeiras e caminhões para extrair o minério de ferro das camadas mais superficiais do solo Já na lavra subterrânea são construídos túneis para acessar as camadas mais profundas do solo 3 Tipos de minérios de ferro Pirita hematita e magnetita A metalurgia do ferro gusa é um processo importante na produção de ferro e aço Existem diferentes tipos de minérios de ferro que podem ser utilizados nesse processo incluindo a pirita hematita e magnetita A pirita é um sulfeto de ferro que pode ser encontrado em depósitos de minério No entanto sua utilização na produção de ferro gusa é limitada devido à sua baixa concentração de ferro e alta concentração de enxofre A presença de enxofre na pirita pode causar problemas de qualidade no ferro gusa produzido tornandoo frágil e quebradiço A hematita é outro minério de ferro comumente utilizado na produção de ferro gusa É um óxido de ferro que contém cerca de 70 de ferro em peso É encontrado em depósitos de minério em todo o mundo e pode ser processado para produzir ferro gusa de alta qualidade No entanto a hematita é geralmente misturada com outros minerais para atingir a composição química desejada 5 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁUNIFESSPA2023 A magnetita é um óxido de ferro que contém cerca de 724 de ferro em peso É um minério de ferro de alta qualidade que pode ser encontrado em depósitos de minério em todo o mundo A magnetita é frequentemente utilizada na produção de ferro gusa de alta qualidade devido à sua alta concentração de ferro e baixa concentração de impurezas 4 Propriedades do Ferro e da matériaprima Hematita A metalurgia do ferro gusa é um processo complexo que envolve a transformação do minério de ferro em ferro líquido por meio da utilização do coque como combustível e do oxigênio injetado no altoforno De acordo com Ribeiro e Peres 2019 o minério de ferro hematita é uma das principais matériasprimas utilizadas na produção de ferro gusa Ele apresenta propriedades físicas químicas e mineralógicas únicas que influenciam diretamente na sua performance durante a metalurgia A hematita é um mineral com alta densidade em torno de 526 gcm³ e sua composição química é basicamente Fe₂O₃ com pequenas quantidades de outros elementos como SiO₂ Al₂O₃ MnO P₂O₅ e S Gupta e Krishnamurthy 2005 Essa composição química pode variar de acordo com a origem do minério A hematita também apresenta propriedades magnéticas podendo ser atraída por um ímã devido à presença de ferro em sua estrutura Durante o processo de metalurgia do ferro gusa a hematita é reduzida a ferro metálico por meio de reações químicas no altoforno O ferro obtido apresenta uma composição química e mineralógica diferente da hematita sendo composto por cerca de 9497 de Fe 052 de C e traços de Si Mn S P e outras impurezas Ribeiro e Peres 2019 Além disso o ferro gusa é um material que apresenta baixa resistência mecânica e elevada fluidez o que o torna ideal para ser utilizado como matériaprima na produção de aço 5 Processamento da hematita A metalurgia do ferro é um processo complexo que envolve uma série de etapas interdependentes desde a extração do minério até a produção do ferro gusa Fonte Ironmaking and Steelmaking Theory and Practice de AHN J G et al 2008 A hematita é um dos minérios mais comuns utilizados na produção do ferro gusa O processamento da hematita inclui várias etapas começando pela moagem para que o minério seja reduzido a um tamanho adequado para a separação magnética A separação magnética é então realizada para remover as impurezas magnéticas presentes no minério Em seguida a hematita é purificada através de processos de flotação e sinterização para remover impurezas nãomagnéticas como a sílica O produto final é um concentrado de hematita com alto teor de ferro que é então transformado em ferro gusa De acordo com a referência Iron Ore Mineralogy Processing and Environmental Sustainability de Lu L 2015 a moagem do minério é realizada em moinhos de bolas ou de barras para reduzir o tamanho das partículas a menos de 1mm A separação magnética é feita usando separadores magnéticos de alta intensidade que usam campos magnéticos para separar impurezas magnéticas do minério de hematita A purificação é realizada por processos de flotação e sinterização que utilizam reagentes químicos para remover impurezas nãomagnéticas O concentrado de hematita resultante é então levado ao altoforno para a produção do ferro gusa 6 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁUNIFESSPA2023 6 Técnicas e matériasprimas utilizadas na produção de ferro gusa a partir da redução do minério de ferro A metalurgia do ferro gusa é um processo de produção do ferro a partir da redução do minério de ferro em altos fornos O processo começa com a preparação da carga metálica que é uma mistura de minério de ferro coque e calcário que é introduzida no altoforno O coque é um combustível sólido derivado do carvão mineral enquanto o calcário é usado para ajudar na fusão e na formação de escória Dentro do altoforno a carga metálica é aquecida em temperaturas elevadas geralmente acima de 1500 C para que ocorra a redução do minério de ferro Esse processo é realizado pela reação química entre o oxigênio presente no minério de ferro e o monóxido de carbono produzido a partir da queima do coque O ferro líquido resultante da redução é coletado na parte inferior do altoforno e é chamado de ferro gusa A produção do ferro gusa é um processo complexo e requer cuidados específicos para garantir a qualidade do produto final Diversas técnicas e equipamentos são utilizados na produção do ferro gusa incluindo o uso de cadinhos refratários ventilação forçada e medição da temperatura do ferro líquido 7 Questões e Equações mais utilizadas na Metalurgia do Ferro Gusa A metalurgia do ferro gusa envolve uma série de questões e equações importantes desde a produção de ferro gusa a partir de minério de ferro e carvão até a sua transformação em produtos acabados Algumas das questões e equações mais relevantes na metalurgia do ferro gusa incluem Equação da redução do minério de ferro A produção de ferro gusa começa com a redução do minério de ferro em um altoforno Um exemplo de exercício que usa a equação da redução do minério de ferro é calcular a quantidade de carbono necessária para produzir uma tonelada de ferro gusa Para isso podemos usar a equação da redução e as massas molares dos elementos envolvidos Fe2O3 3C 2Fe 3CO Massa molar do Fe2O3 2x5585 3x1600 15969 gmol Massa molar do C 1201 gmol Massa molar do Fe 5585 gmol Massa molar do CO 2801 gmol Para produzir 1 tonelada de ferro gusa 1000 kg precisamos de Massa de Fe2O3 massa de Fe produzido 10002 500 kg Massa de CO produzido massa de C usado 500x32 750 kg Portanto a quantidade de carbono necessária para produzir uma tonelada de ferro gusa é de 750 kg Balanço de massa no altoforno Para garantir a eficiência da produção de ferro gusa é importante manter um balanço de massa adequado no altoforno Isso envolve equilibrar a entrada de minério de ferro carvão e ar com a saída de ferro gusa e escória Um exemplo de exercício que usa a equação do balanço de massa no altoforno é o seguinte 7 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁUNIFESSPA2023 Um altoforno está produzindo 1000 toneladas de ferro gusa por dia O teor médio de ferro no minério de ferro é de 60 e o teor médio de carbono no carvão é de 85 Calcule a quantidade de minério de ferro e carvão necessários para manter a produção diária de ferro gusa sabendo que o teor de carbono desejado no ferro gusa é de 45 Para resolver esse problema podemos usar a equação do balanço de massa no altoforno Entrada Saída Geração Acúmulo Considerando que não há acumulo de material no altoforno podemos simplificar a equação para Entrada Saída 0 Isso significa que a quantidade de minério de ferro e carvão que entra no altoforno deve ser igual à quantidade de ferro gusa e escória que sai Podemos expressar essa equação em termos de toneladas por dia usando as seguintes informações Produção diária de ferro gusa 1000 toneladas Teor médio de ferro no minério de ferro 60 Teor médio de carbono no carvão 85 Teor de carbono desejado no ferro gusa 45 Assumindo que o restante do material no ferro gusa é constituído principalmente de silício e manganês podemos estimar que o teor médio de carbono no ferro gusa é de 45 o teor de silício é de 2 e o teor de manganês é de 05 Usando essas informações podemos calcular a quantidade de minério de ferro necessária para produzir 1000 toneladas de ferro gusa por dia Ferro gusa produzido por dia 1000 toneladas Teor médio de ferro no minério de ferro 60 Teor médio de carbono no ferro gusa 45 Teor médio de silício no ferro gusa 2 Teor médio de manganês no ferro gusa 05 Para cada tonelada de ferro gusa produzido temos Ferro 0645 toneladas 60 do peso do minério de ferro Carbono 0045 toneladas 45 do peso do ferro gusa Silício 002 toneladas 2 do peso do ferro gusa Manganês 0005 toneladas 05 do peso do ferro gusa Portanto para produzir 1000 toneladas de ferro gusa por dia precisamos de Minério de ferro 645 toneladas por dia 10000645 Carvão 1840 toneladas por dia 10000045 x 085 Equação do resfriamento adiabático Durante a solidificação do ferro gusa ocorre um resfriamento adiabático que pode afetar a microestrutura e as propriedades mecânicas do material A equação do resfriamento adiabático é 8 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁUNIFESSPA2023 Tt T0 T0 Ta expkt Tt temperatura do material em função do tempo t T0 temperatura inicial do material Ta temperatura ambiente ou temperatura de resfriamento k coeficiente de resfriamento adiabático que é uma constante que depende das propriedades do material e das condições de resfriamento t tempo de resfriamento Um exemplo de exercício que pode ser resolvido utilizando a Equação do resfriamento adiabático é o seguinte Um bloco de ferro gusa com temperatura inicial de 1400C é resfriado ao ar ambiente a uma temperatura de 25C Se o coeficiente de resfriamento k é igual a 001 min1 determine a temperatura do bloco de ferro gusa após 30 minutos Para resolver este problema podemos utilizar a Equação do resfriamento adiabático que é dada por Tt T0 T0 Ta expkt Substituindo os valores fornecidos no enunciado temos T30 1400 1400 25 exp001 x 30 T30 10056C Portanto a temperatura do bloco de ferro gusa após 30 minutos será de aproximadamente 10056C 9 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁUNIFESSPA2023 Conclusão Por conseguinte este estudo forneceu uma visão geral dos principais processos de produção do ferro gusa e seus principais aspectos metalúrgicos Os objetivos específicos foram alcançados incluindo a descrição dos principais tipos de minérios de ferro e suas propriedades o detalhamento do processamento da hematita um dos principais minérios de ferro a apresentação dos principais processos de redução do minério de ferro para ferro gusa e a explicação da produção de ferro gusa e suas matériasprimas Embora a produção de ferro gusa seja essencial para muitas indústrias ela também pode ter consequências negativas para o meio ambiente como a emissão de gases de efeito estufa e a produção de resíduos No entanto soluções podem ser encontradas para minimizar esses impactos Por exemplo a adoção de tecnologias mais limpas e eficientes na produção de ferro gusa pode ajudar a reduzir as emissões e a quantidade de resíduos gerados Uma instituição do governo que pode auxiliar na resolução dessas questões é o Ministério de Minas e Energia que é responsável pela formulação e implementação de políticas para o setor mineral brasileiro incluindo a produção de ferro gusa O Ministério pode promover investimentos em tecnologias mais limpas e incentivar as empresas a adotálas Além disso o Ministério pode promover a pesquisa e o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de ferro gusa mais sustentável O desenvolvimento sustentável é aquele que atende às necessidades do presente sem comprometer a capacidade das gerações futuras de atender às suas próprias necessidades Relatório Brundtland 1987 Isso destaca a importância de encontrar soluções para a produção de ferro gusa que levem em conta os impactos ambientais a longo prazo e que as instituições governamentais devem desempenhar um papel fundamental nesse processo Em síntese é fundamental que a indústria metalúrgica trabalhe em conjunto com instituições governamentais como o Ministério de Minas e Energia para buscar soluções mais sustentáveis e eficientes na produção de ferro gusa garantindo assim um futuro mais promissor e sustentável para o setor 10 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁUNIFESSPA2023 REFERÊNCIAS Ironmaking and Steelmaking Theory and Practice de AHN J G et al 2008 Alvarenga R M et al Metalurgia do Ferro Enciclopédia Biosfera Centro Científico Conhecer Goiânia vol 7 no 13 2011 pp 117 Castro J A 2013 Caracterização de minérios de ferro Avaliação de métodos de determinação de teores e de liberação de partículas Dissertação de mestrado Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro Brasil Comissão Mundial sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento Nosso Futuro Comum Relatório Brundtland Oxford Oxford University Press 1987 ELLIOTT L K KIRKPATRICK R J 2020 Process Modelling and Optimisation of Ironmaking In Modelling and Control of Engineering Systems pp 101128 Springer Cham ELLIOTT L K KIRKPATRICK R J 2020 Process Modelling and Optimisation of Ironmaking In Modelling and Control of Engineering Systems pp 101128 Springer Cham GUPTA C K KRISHNAMURTHY N Extractive Metallurgy of Copper Elsevier 2005 Iron Ore Mineralogy Processing and Environmental Sustainability de Lu L 2015 LI C ZHU M ZHANG W 2021 Mathematical modeling of a blast furnace with a multifluid model for predicting raceway phenomena Chemical Engineering Science 235 116485 MIRANDA M J A orgs Processos Metalúrgicos São Paulo Blucher 2019 p 126 Physical Chemistry of Iron and Steel Manufacture de C Bodsworth e D J Price publicado em 2019 pela CRC Press RIBEIRO J L D PERES A E A metalurgia do ferro gusa In SANTOS A J A PADILHA A F Riedel C 2014 Fundamentals of metallurgy 2nd ed Boca Raton FL CRC Press Rosenqvist T 1983 Principles of extractive metallurgy Vol 2 McGrawHill Education WANG Z YAN H WANG L ZHOU B 2021 Optimization of Solidification Process Parameters of Cast Iron Based on Coupling Analysis of Thermal Field and Stress Field Metals 116 941 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