Siderurgia
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Química Aplicada QAP0001 Licenciatura em Química Profa. Dra. Carla Dalmolin [email protected] [email protected] Siderurgia Siderurgia Proc. Siderúrgicos (redução do cátion metálico) - Eletrólise - Redução em alto forno Minerais (Fe3+ ou Fe2+) Metais (Fe) Corrosão (processo espontâneo) Matéria-Prima Minerais: Substâncias inorgânicas. Muitos minerais contêm elementos metálicos na sua composição química. Minério: rochas que contêm grande quantidade de um elemento químico (livre ou combinado) de importância econômica Minério de Ferro Maiores jazidas: Austrália Brasil Hematita (50 – 70% de Fe na composição) Estados Unidos Minas Gerais Rússia Mato Grosso do Sul França Pará Inglaterra Amapá Bahia Preparação das Matérias-Primas Minério de ferro Obtenção do elemento Fe Passa pelo processo de aglomeração: criação de porosidade para permitir a passagem dos gases redutores Carvão mineral Passa pela etapa de coqueificação: coque metalúrgico Na produção do ferro, o carbono é usado como combustível, reagindo com o oxigênio numa reação de combustão para fornecer calor e CO ou CO2 que agem como agentes redutores do minério de ferro Combustível Redutor do minério de ferro Obtenção de C para o aço (liga Fe-C) Calcário Material fundente Gerador da escória (subproduto) Processo Siderúrgico Redução do Fe Refino Conformação FenOm mCO nFe mCO2 Durante a reação, o gás redutor (CO) se difunde através da superfície porosa do minério para o seu interior, enquanto o gás oxidado (CO2) segue o caminho inverso. Na superfície do minério ocorre a reação química. Os gases redutores são adsorvidos, o oxigênio é retirado da estrutura cristalina dos minérios, ocorrendo a nucleação e o crescimento do produto da reação: ferro-gusa Alto-Forno Reator metalúrgico de contra-corrente, onde o minério de ferro é fundido para se transformar em ferro-gusa Tem forma semelhante a uma chaminé, numa estrutura alta feita com tijolos refratários Combustão do coque C O2 CO CO2 Reações do Alto-Forno FenOm Fe + CO2 CO C O2 CO CO2 Reações de Alto-Forno 800 oC Redução parcial dos óxidos Redução completa dos óxidos Redução do CO2 Redução da H2O Calcinação dos fundentes 1000 oC Redução de óxidos de Mn, Si e P 1200 oC 1300 oC Fusão Ventanas (1500 oC) (queima do combustível) Cadinho (recolhimento dos produtos) Reações de Alto-Forno Para otimizar o processo de fusão do minério, utiliza-se o fundente: substância que reage com as impurezas do minério, produzindo compostos de fácil separação (escória) e reduzindo o ponto de fusão da mistura (hematita: 1560oC com o fundente: 1200–1300oC) Fundente: calcário dolomítico Até 800 oC: CaCO3 CaO CO2 MgCO3 MgO CO2 1200 oC: formação da escória Os carbonatos reagem com as impurezas do minério e as cinzas do carvão CaO SiO2 CaSiO3 Metassilicato de cálcio As demais impurezas incorporam na escória, que é usada para fabricação de adubos, cimentos ou tijolos Reações de Alto-Forno Até 800: Redução parcial dos óxidos Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2 800 oC – 1000 oC: Redução completa dos óxidos FeO + CO Redução de CO2 CO2 + C 2 CO Redução da H2O H2O + C CO + H2 Calcinação CaCO3 MgCO3 CaO + CO2 MgO + CO2 Fe + CO2 Reações de Alto-Forno 1000 oC – 1200 oC: Redução de impurezas e formação do ferro gusa MnO + C SiO2 + 2 C P2O5 + 5 C Mn + CO Si + 2 CO 2 P + 5 CO 3Fe C Fe3C 3Fe 2CO Fe3C CO2 Teor de C entre 2 – 5% Acima de 1500 oC: zona de combustão C + O2 CO2 + C CO2 CO Refino: Produção do aço com teor de C entre 0,5 – 1,7% Refino do Ferro-Gusa Processo de oxidação parcial até que as concentrações de carbono e impurezas se reduza aos valores desejados Combinação do O com o Fe (FeO), que oxida o Si, Mn e o C As impurezas são eliminadas na forma de escória e CO2 2 Fe O2 2 FeO 2 FeO Si SiO2 2 Fe FeO Mn MnO Fe FeO C Fe CO Ligas Metálicas Mistura resultante da união de dois ou mais elementos em que pelo menos um é metálico Ligas ferrosas: Fe como constituinte principal Aço com baixo (< 25%), médio (0,25 – 0,6 %) e alto (0,6 – 1,4%) teor de carbono Versáteis, mas susceptíveis à corrosão Não-ferrosas Alumínio Cobre: latão, bronze, prata alemã, monel Níquel: monel, nicrom Ouro Obtidas pela fusão dos metais ou por compressão
