apostila siderurgia

apostila siderurgia

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Siderurgia Marcelo F. Moreira

1 SIDERURGIA

Os metais encontrados no estado nativo são o ouro, a prata, a platina, o cobre, o arsênico e o bismuto. Estes metais eram encontrados na superfície ou próximo desta, na condição metálica sob a forma de pepitas ou de massas brutas e foram empregados por diversos povos antigos. O aspecto brilhante destes metais e a capacidade de serem conformados por martelamento sem aquecimento prévio, os tornavam materiais interessantes para a fabricação de ferramentas, armas, recipientes e ornamentos.

Evidências arqueológicas indicam que o conhecimento do processo de obtenção de cobre, a partir de seus minérios, existia antes do ferro ser intencionalmente produzido pelo homem. O cobre produzido pela redução era obtido no estado líquido e os produtos podiam ser formados por meio da fundição em moldes ou pelo martelamento de partes. Adicionalmente, o cobre podia ser suficientemente endurecido por martelamento, que o tornava útil para diversos propósitos.

impossível

Os fornos antigos tinham a capacidade de fundir misturas de cobre e estanho, que formavam os bronzes, e cobre e zinco, que formavam os latões. Entretanto a elevada temperatura de fusão do ferro tornava sua fusão muito difícil, mas não

Não há um registro preciso de quando o homem começou a produzir ferro pela redução de seus minérios. De fato, diversos povos em diferentes localidades dominavam estas técnicas, sendo que alguns não registravam isso por meio da escrita. As referencias escritas mais antigas, sugerem que o ferro foi empregado na Índia e na China por volta de 2000 AC. Entretanto, não foi possível determinar se o ferro foi reduzido pelo homem. A redução deliberada dos óxidos de ferro entre 1350 AC e 10 AC é citada em regiões geograficamente extensas no mundo antigo.

Os povos antigos só dispunham de três fontes de ferro: ferro de meteoritos, ferro nativo (telúrico) e os minérios ferrosos reduzidos pelo homem. As duas primeiras fontes são muito raras e indicam que a maioria dos artefatos antigos foi produzida pela extração do ferro a partir dos minérios de ferro.

1.1- Ferro meteorítico

É evidente que os primeiros metais ferrosos usados pelo homem foram obtidos de fragmentos de meteoritos. Três fatos corroboram com esta evidência: a maioria dos nomes antigos do ferro, quando traduzidos significam: “pedra (ou substância dura ou metal) do céu”, “metal das estrelas”, ou significados similares que indicam que o metal veio do espaço; as análises químicas de amostras arqueológicas demonstram que estas apresentam quantidades consideráveis de Ni (entre 7 e 15%, mas em alguns casos 30%) que é a composição típica de meteoritos de ferro. Artefatos produzidos pelo homem antigo não apresentam Ni. povos primitivos de tempos mais recentes usaram ferro de meteoritos para produzir artefatos e a maior parte da massa destes meteoritos continua no local onde este caiu e continua a servir como fonte de ferro.

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2 1.2- Ferro nativo ou telúrico

O ferro encontrado na forma nativa (metálico) é muito raro. Uma dos poucas ocorrências conhecidas é no nordeste da Groenlândia, onde nódulos ou grãos de ferro ocorrem em basalto (uma rocha vulcânica que contem ferro) que passou por veios de carvão mineral. Adicionalmente, existem duas formas minerais de Fe e Ni, a awaruita

feito uso destas fontes para produzir artefatos

(FeNi2) e a josephinita (Fe3Ni5). É improvável, porém, que os povos antigos tenham

1.3- Minérios ferrosos reduzidos pelo homem

É um fato conhecido por muitos séculos que os minérios de ferro misturados com carvão sob temperaturas elevadas são reduzidos para ferro metálico. Os processos mais antigos eram conduzidos em diversas variedades de fornos, alguns deixados para receber um suprimento natural de ar e outros equipados com sopradores para a obtenção de temperaturas maiores. Algumas representações destes fornos e apresentada na figura 1.

Figura 1- Fornos primitivos empregados na produção de ferro.

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A região mais quente destes fornos era adjacente à entrada de ar, entretanto a maioria do óxido de ferro já estava reduzida à ferro metálico antes de atingir a região mais quente. Nos fornos dos tipos poço e soleira, o ferro reduzido tinha a forma de grânulos porosos. Em fornos de temperaturas mais elevadas, os grânulos ficavam pastosos e aglomeravam-se em uma massa, conhecida como ferro-esponja. Após a formação de uma esponja de massa suficiente, esta era martelada a quente com o objetivo de sinterizar os poros e expelir a maior parte da escória e, finalmente, formar um pedaço sólido de ferro.

permanência com o carvão

Se o ferro reduzido fosse mantido em contato com carvão em altas temperaturas e na ausência de ar, haveria a difusão de carbono da atmosfera para o metal. A quantidade de carbono no ferro era controlada pela temperatura e tempo de

tempo e em temperaturas mais elevadas que os fornos dos tipos poço e soleira

Em fornos dos tipos poço e soleira produziam ferro quase puro devido as temperaturas relativamente baixas e ao curto tempo de permanência da esponja em condições favoráveis à difusão de C. Fornos do tipo chaminé (“shaft type”) possuíam condições mais favoráveis para a difusão de carbono, especialmente quando empregavam-se dispositivos para soprar ar. Nestes fornos, as temperaturas mais elevadas promoviam a redução do minério em posições mais distantes da zona de combustão, possibilitando ao ferro permanecer em contato com o carbono por mais

O produto dos fornos do tipo chaminé continha teores de C de até 1% e possui propriedades muito superiores ao ferro puro produzido e mais importante ainda era a capacidade deste material ser endurecido por processos similares à têmpera e ao revenimento.

ferreiros, uma vez que este era frágil e não podia ser martelado

Com o incremento da temperatura em fornos do tipo chaminé, maior a quantidade de carbono no ferro e menor a temperatura de fusão da liga, sendo possível a obtenção de ferros fundidos no estado líquido com teores de carbono entre 3% e 4%. É provável que os pedaços solidificados deste metal eram jogados fora pelos

Na China, por volta de 200 AC, há evidências do processo de fundição deliberada de ferro fundido para a fabricação de utensílios.

Atualmente, a maior parte das siderúrgicas do mundo segue o fluxograma de processo apresentado na figura 2.

Materiais à base de ferro beneficiados (minério de ferro, pelotas e sinter) são reduzidos e transformados em ferro gusa no alto forno empregando o carbono do coque como agente redutor. O ferro gusa apresenta de 3% a 4,5% de C e os aços modernos apresentam teores de C de até 1,5%. Este excesso de carbono deve ser removido por um processo chamado de conversão, cujos equipamentos mais comuns são os conversores LD e Bessemer.

A carga dos conversores é composta por uma mistura de ferro fusa, aço líquido e sucata de aço. Ela é submetida a uma oxidação controlada para reduzir o teor de carbono e impurezas, produzindo os aços ao carbono.

A adição de elementos de liga como o Cr, Mn, Ni, Mo e etc. são adicionados ao aço líquido em uma panela após a conversão. Este processo é denominado metalurgia de panela e produz aços ligados ou refinados.

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4 Processos de redução de minério de ferro

Processos de conformação mecânica

Figura 2- Fluxograma da fabricação de aço a partir das matérias primas minerais.

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O aço líquido, de composição química especificada, é então solidificado de duas maneiras: fundição convencional de lingotes

fundição contínua de blocos, ou tarugos ou placas

Para caso da fundição convencional de lingotes, estes são conformados a quente em laminadores primários visando a produção de blocos, tarugos ou placas. No processo de fundição contínua, ou blocos, tarugos e placas são obtidos diretamente das maquinas de lingotamento.

para perfis estruturais (vigas I, U, T) ou trilhos ferroviários

Os blocos são produtos de seção quadrada ou pouco retangular cujas dimensões variam de 150 x 150 m até 300 x 300 m. São conformados a quente

Os tarugos possuem seção quadrada ou circular com dimensões que variam de 50 x 50 m até 125 x 125 m. São conformados a quente em barras de diferentes seções transversais, arames ou ainda, tubos sem costura.

As placas são produtos de seção retangular cuja espessura varia de 50 a 230 m e largura entre 610 e 1520 m. São conformadas a quente em dois tipos de produtos: chapas grossas para a indústria naval ou chapas laminadas a quente com espessuras de até 3,5 m.

Um grande número de minerais contêm ferro, entretanto somente alguns são empregados comercialmente como fontes de ferro. Os óxidos de ferro são as fontes minerais mais importantes de ferro, entre eles destacam-se:

Magnetita (Fe3O4)- estequiometricamente possui 72,36% de Fe e 27,64% de oxigênio. A coloração varia de cinza escura para a negra e a densidade de

5,16 a 5,18 g/cm3. É fortemente magnética que é importante nos processos de beneficiamento, pois possibilita sua separação da ganga.

Hematita (Fe2O3)- estequiometricamente possui 69,94 % de Fe e 30,06 de O. A coloração varia do cinza para vermelho e a densidade é de 5,26 g/cm3. A hematita é o óxido de ferro de maior importância comercial.

O beneficiamento dos minérios de ferro envolve uma série de operações processamento do minério que melhoram suas características físicas e químicas, visando a produção de uma carga mais homogênea e eficiente para os fornos de redução. Estas operações incluem moagem, classificação, concentração e aglomeração.

A tecnologia dos altos-fornos atuais requer o minério de ferro em tamanhos menores que 50 m e superiores a 6 m. Um tamanho específico de minério é determinado por suas características de redutibilidade e da permeabilidade do empilhamento no alto-forno. Os finos (partículas inferiores a 6 m) produzidos na moagem requerem aglomeração que é realizada por meio da sinterização e da pelotização. A figura 3 ilustra o aspecto típico dos materiais à base de ferro alimentados no alto forno.

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O objetivo primário da aglomeração é o aumento da permeabilidade do leito do alto-forno e do contato gás-sólido. Outro ponto importante é a redução da quantidade de finos produzidos na moagem.

Figura 3- Aspecto típico dos materiais à base de ferro alimentados no alto-forno. 3- Coque

Os carvões fósseis são os combustíveis sólidos mais importantes na siderurgia.

Podem ser considerados como rochas orgânicas combustíveis. Sua origem é, inegavelmente, de vegetais submetidos a carbonização. Os carvões fósseis apresentam-se como turfa e linhito, cuja formação é a mais recente, as hulhas (betuminosas e sub-betuninosas) e o antracito. Um comparativo entre os tipos de carvões fósseis é apresentado na tabela 1:

Tabela 1 – Comparativo entre os tipos de carvões minerais MATERIAL TURFA LINHITO HULHAS ANTRACITO

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