Obtenção do Aço-carbono
Resumo – Este documento descreverá o processo de obtenção do aço. Para isto serão apresentados o histórico da sua produção, uma série de conceitos relativos ao processo siderúrgico envolvido e o processo em si.
I. INTRODUÇÃO
O aço é um material de grande importância nos dias de hoje. As diversas propriedades que lhe são atribuídas o tornam indispensável para o mundo como conhecemos hoje. Suas propriedades mecânicas e eletromagnéticas são largamente alteradas, através de diferentes processos de fabricação e diferentes concentrações de outros elementos a não ser o ferro (principal elemento). É por isso que o aço é largamente utilizado na construção civil, nas engenharias elétrica e mecânica e outras áreas.
II. AÇO A. Definição
Basicamente uma liga ferro-carbono com teor de carbono inferior a 1,8% em massa e susceptível de adquirir, por meio de tratamento mecânico e térmico, variadas propriedades, podendo conter em sua composição outros elementos como níquel, manganês, tungstênio, vanádio, cromo, silício, etc.
B. Histórico
Um dos primitivos métodos de obtenção do aço foi o a forja catalã, onde o minério de ferro era reduzido pelo carvão em uma instalação de pedra onde incidia um sopro de ar. O produto obtido era uma mistura pastosa de metal com escória, sendo esta eliminada por martelamento. A partir do século XV surgiram os primeiros altos-fornos, onde através do aumento da quantidade de ar soprado foi possível o aumento da temperatura e a conseqüente obtenção da mistura em estado líquido. Basicamente é este processo que produz a grande maioria do aço utilizado no mundo até os dias de hoje.
Mas a grande expansão do aço ocorreu no século XIX com a crescente demanda de um material versátil para dar suporte à Revolução Industrial que estava no seu auge. Os principais métodos de obtenção que despontaram nesta época e hoje em via de desaparecimento foram os processos Bessemer, Thomas e Siemens-Martin.
Gradativamente estes processos foram sendo substituídos por processos mais modernos e eficientes. A produção foi aumentando gradativamente e durante o século XX a produção chegou a patamares gigantescos, maiores que 1.000.000.000 toneladas/ano. Apenas no fim do século, em torno de 1975, a produção de aço estabilizou-se e começou a diminuir. Atualmente a produção anual oscila entre 700 e 800 milhões de toneladas/ano.
O Brasil está entre os dez maiores produtores, com cerca de 26 Mt/ano. Mesmo assim muito abaixo dos maiores produtores mundiais; Rússia com cerca de 160 Mt, Japão com 100 Mt, EUA com 90 Mt, China 60 Mt e Alemanha com 50Mt.
C. Conceitos
- Minério de ferro: presente em aproximadamente 5% da crosta terrestre. O ferro não é encontrado em estado puro na natureza mas em combinações químicas de metais contidos nas rochas. Essas combinações químicas ocorrem misturadas com as “gangas”, compostas de silício, alumínio, cal e magnésio. Os principais são: magnetita (Fe3O4) com cerca de 60% de ferro; hematita vermelha (Fe2O3) com cerca de 65% de ferro; ferro oolítico; siderita ou ferro espático (FeCO3) com alto teor de manganês; FeS2.
- Coque: desempenha uma dupla função na elaboração da gusa: a de combustível e a de redutor. O coque provém da destilação do carvão, que deve ser o mais puro possível para evitar resíduos como enxofre e fósforo. Como redutor absorve o oxigênio combinado com outros elementos.
- Ganga: Impurezas que ocorrem junto com o minério de ferro em estado bruto, compostas principalmente de silício, alumínio, cal e magnésio.
- Carbono: símbolo C, com massa atômica 12. É um metalóide sólido muito resistente ao calor, volatilizando- se em torno dos 3500 ºC. O carbono tem a fundamental propriedade de ser solúvel em ferro fundido. O carbono pode ser encontrado basicamente em três estados, o diamante, grafita e o carvão.
- Fundente: pedra de cal ou magnésio adicionada a massa incandescente para separar o ferro da ganga. O fundente com a ganga dá a escória, que por ser mais fusível e leve que o ferro se acumula sobre o metal líquido.
- Escória: uma espécie de vidro de qualidade inferior que é produto da mistura entre a ganga e fundente.
- Gusa: é a parte útil para a produção do aço, composta basicamente de ferro fundido com carbono entre 2,5% a 6,67%.
- Aço de alto teor de carbono: pouco utilizado por causa da sua grande fragilidade. Ferro + 1,8% a 2,5% de carbono
- Ferro puro ou ferro da Suécia: Ferro + pequenos traços de carbono. D. Processo de obtenção da gusa
Inicialmente tem-se o minério de ferro que é composto pelo metal (ferro) e pela ganga. Primeiro é necessário liberar o ferro usando um redutor (carvão) para eliminar o oxigênio do metal. Para isto é necessário fornecer muito calor, fornecido pela própria queima do carvão. O ferro, já em estado líquido, se acumula no fundo do alto-forno. Para eliminar a ganga junta-se o fundente, o que nos dá a escória, que por ser mais leve, se acumula sobre o ferro. Portanto, utilizando o processo de decantação, separa-se o ferro da escória.
Dentro do alto-forno tem-se a seguinte seqüência, como ilustra a figura 1: - Introduz-se a carga, composta de minério de ferro, coque e fundente.
- Entre 300ºC e 350ºC temos a dessecação, onde o vapor de água contido na carga é liberado. - Entre 350ºC e 750ºC ocorre a redução, onde o óxido de ferro perde o oxigênio.
- Entre 750ºC e 1150ºC temos a carburação, onde o ferro se combina com o carbono formando a gusa.
- Entre 1150ºC e 1800ºC ocorre a fusão, onde a gusa passa para o estado líquido - Em torno dos 1600ºC ocorre a liquefação, onde a gusa se separa da escória.
A gusa obtida pode ter três destinos: a fundição dos lingotes, destinados a as aciarias de segunda fusão; a execução de grandes peças por vazamento direto nos moldes; e fabricação do aço.
A gusa produzida pelo alto-forno ou gusa de primeira fusão pode ser de dois tipos: gusa branca ou fundição gris.
Elas são destinadas a produção do aço através do seu refino posterior. A gusa branca tem como composição e característica: C = 2,3% a 3%, P = 2%, Mn = 1,5%, Si = 0,6%, Fe restante;
densidade = 7,4 kg/dm3 e ponto de fusão = 1200ºC. A fundição Gris: C = 3% a 4,5%, Si = 1,5% a 5%, Mn = 1%, P= 0,08%, S = 0,054%; densidade = 7,4kg/dm3 e ponto de fusão = 1200ºC.
E. Propriedades
O aço apresenta diferentes propriedades quando outros elementos são adicionados a sua composição:
- Níquel: de 0,5% a 5% melhora a temperabilidade e aumenta a resistência mecânica. Com 50% aumenta a resistência à corrosão;
- Cromo: de 1% a 6% aumenta a temperabilidade e resistência mecânica. De 10% a 20% torna-o inoxidável. Com 25% torna o aço refratário;
- Silício: até 2% aumenta a elasticidade e diminui as perdas magnéticas;
- Manganês: a 2% favorece a têmpera e a 13% aumenta a resistência ao impacto e ao desgaste; - Tungstênio: até 18% favorece a resistência.
F. Alto-fornos
Os alto-fornos modernos são aparelhos com cerca de trinta metros de altura, consistindo basicamente por dois cones truncados unidos pela base.
No tronco inferior ou cadinho com cerca de 8 metros ou mais de diâmetro se acumulam os produtos obtidos, a gusa e a escória. Pelos alcavariz, no topo do cadinho, o ar quente é insuflado.
No troco superior temos a guela, onde a carga é introduzida e a carburação, redução e dessecação ocorrem.
Na figura 2 podemos ver toda estrutura envolvida no alto-forno. Figura 2.
2. O minério aglomerado 3. O fundente
4. O coque
5. Caçamba de carregamento 6. Alto-forno
7. Câmara da boca içável e abaixável hidraulicamente, com divisor rotativo
8. “Receptor de Poeiras” para a separação primária das poeiras contidas no gás da boca, e que são retiradas pela parte inferior
9. Depurador úmido no qual se opera a depuração dos gases da boca por gotejamento de água. A água é dirigida para uma bacia de decantação
10. Aparelho Cowper em aquecimento pela combustão dos gases da boca
11. Aparelho Cowper “insuflante” para aquecimento do ar circulante enviado para o alto-forno 12. Insufladores (alcavariz)
13. Ar frio 14. Escória 15. Gusa
16. Tubulagem circular de ar quente seguida de bocais permitindo insuflar ar quente no alto-forno
17. Poeiras recuperadas para serem aglomeradas com o coque, o minério e o fundente G. Transformação gusa-aço
Para transformar a gusa em aço é preciso tirar uma parte de carbono, do silício, do manganês, e a totalidade do fósforo e impurezas. Para isto é utilizado oxigênio puro ou o oxigênio presente no ar.
Nós temos dois tipos de refinação, a ácida e a básica. Na refinação ácida, a gusa de primeira fusão foi obtida de um minério de ferro rico em Si (2%) e pobre em P (0,07%), típicos dos minérios americanos. Já na refinação básica temos o contrário, a gusa vem de um minério de ferro rico em P (2%) e pobre em Si (0,5%), típicos dos minérios europeus.
Dá para fazer aço de sucata?
Essa é uma boa pergunta, já que na primeira parte da nossa aula falamos sobre como transformar o gusa em aço. Isso poderia dar a falsa impressão de que só o gusa é matéria-prima para sua fabricação. Se apenas isso fosse possível, os ferros-velhos não existiriam. E quem ainda não vendeu sua sucatazinha lá no ferro-velho do bairro, para ganhar uma grana extra? Pois é, a gente pode fabricar aço a partir de sucata, sim. Só que tem que usar outro tipo de forno.
É nos fornos elétricos que se transforma sucata em aço. Por esse processo, transforma-se energia elétrica em energia térmica, por meio da qual ocorre a fusão do gusa e da sucata, sob condições controladas de temperatura e de oxidação do metal líquido. É um processo que permite, também, a adição de elementos de liga que melhoram as propriedades do aço e lhe dão características excepcionais. Por causa disso, esse é o melhor processo para a produção de aços de qualidade.
As vantagens da produção do aço nos fornos elétricos são: maior flexibilidade de operação; temperaturas mais altas; controle mais rigoroso da composição química do aço; melhor aproveitamento térmico; ausência de problemas de combustão, por não existir chama oxidante; e processamento de sucata.
Por outro lado, as principais desvantagens são o custo operacional (custo da energia elétrica) e a baixa capacidade de produção dos fornos.
O aço produzido nos fornos elétricos pode ser transformado em chapas, tarugos, perfis laminados e peças fundidas.
Exercícios
1. Assinale a alternativa que completa corretamente as seguintes afirmações: a) A matéria-prima básica para a produção do ferro-gusa é o:
1. ( ) minério de manganês; 2. ( ) calcário;
3. ( ) minério de ferro; 4. ( ) chumbo.
b) O calcário é utilizado no alto-forno para: 1. ( ) eliminar o enxofre;
2. ( ) eliminar o fósforo; 3. ( ) eliminar o oxigênio;
4. ( ) facilitar a fusão do minério de ferro. c) O alto-forno é dividido em três partes principais:
1. ( ) zona de pré-aquecimento, cadinho e rampa; 2. ( ) cadinho, rampa e ventaneiras;
3. ( ) zona de pré-aquecimento, zona de fusão e cuba; 4. ( ) cadinho, rampa e cuba.
d) O caminho que o gusa com teores entre 3,0% e 4,5% de carbono, pode seguir, ao sair
do alto-forno é:
1. ( ) para a laminação para ser trefilado; 2. ( ) para a fundição, para ser usinado;
3. ( ) para a fundição e produção de peças de ferro fundido; 4. ( ) para a estamparia, para ser conformado.
2. Escreva F se a afirmação for falsa e V se a afirmação for verdadeira. Depois, reescreva
corretamente em seu caderno as afirmações que você considerou erradas:
a) ( ) O gusa é um material que é descartado após a fusão do minério de ferro. b) ( ) O Brasil é o maior produtor mundial de aço.
c) ( ) O aço é constituído basicamente de minério de ferro e no máximo 2% de
carbono.
d) ( ) Com o surgimento do alto-forno, a produção aumentou e novos produtos foram
criados.
3. Complete as seguintes frases:
a) O alto-forno é dividido em três partes: o fundo, chamado de ..., a segunda
seção, denominada ... e ... que é a seção superior.
b) A escória, que é formada no processo, flutua sobre ... que é
mais ...
c) No cadinho, há o furo de ... e o furo de ...
d) O furo para escoamento da ... fica acima do furo de gusa
porque ... flutua.
e) A carga, composta de ..., de ... e de ..., é colocada
4. Responda às seguintes perguntas:
a) Por que o ferro-gusa é duro e quebradiço? b) Como o gusa se transforma em aço?
5. Escreva V para as frases verdadeiras e F para as frases falsas. Depois, corrija as erradas e as
escreva corretamente no seu caderno.
a) ( ) O gusa é a única matéria-prima utilizada na fabricação do aço.
b) ( ) É nos fornos elétricos que ocorre a transformação da sucata em ferro.
c) ( ) Nos fornos elétricos, a fusão do gusa e da sucata ocorre sob condições
controladas de temperatura e oxidação do metal líquido.
d) ( ) O processo de transformação da sucata em aço permite, também, a adição de
elementos de liga que melhoram as propriedades do aço.
6. Responda às seguintes perguntas:
a) Que nome se dá ao processo que transforma o gusa em aço?
b) Qual dos elementos que compõem o ferro-gusa, torna-o duro e, portanto, quebradiço?
Por quê? (Lembre-se das propriedades dos materiais.)
c) Escreva, com suas palavras, as vantagens e desvantagens da obtenção do aço através
