Obtenção do Aço - Engenharia Eletrica

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Obtenção do Aço
Fabrício Dzierva, Departamento de Engenharia Elétrica – UFPR
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 processo em si.
Palavras-chave – Aço, siderurgia, gusa, coque, fundente.
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.
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
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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.
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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
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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 (Fe3 O4 ) com cerca de 60%
de ferro; hematita vermelha (Fe2 O3 ) 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
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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:
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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.
Figura 1. Etapas da obtenção do aço em um alto-forno
E. Propriedades
O aço apresenta diferentes propriedades quando outros
elementos são adicionados a sua composição:
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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.
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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.
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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.
A seguir os principais métodos classificados quanto ao
uso do oxigênio:
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Processo Thomas: oxidação do C da gusa pelo oxigênio do ar, processo quase obsoleto, sendo substituído pelo do oxigênio puro.
Processos LD (Linz Donawitz), OLP (Oxigênio – Lança – Poeira) e Kaldo: oxidação da gusa por oxigênio
puro.
III. AGRADECIMENTOS
Figura 2. O alto-forno e suas instalações anexas
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6.
7.
O minério
O minério aglomerado
O fundente
O coque
Caçamba de carregamento
Alto-forno
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.
O autor gostaria de agradecer primeiramente ao professor
Piazza que forneceu bibliografia para a confecção deste trabalho. Também gostaria de agradecer ao meu amigo Gustavo
(o Mato Grosso) por ter escaneado para mim algumas figuras
do livro. Além é claro da Siemens, que forneceu gentilmente
a impressora para a impressão do trabalho escrito.
IV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Livros:
[1] A. Remy, M. Gay, R. Gonthier, Materiais,. São Paulo, 1990, p.
18-43.
[2] V. Chiaverini, Aços e Ferros Fundidos. São Paulo, 1977. 4ª edição.
[3] Grande Enciclopédia Larousse Cultural, vols. 1 e 22. São Paulo,
1998, Ed. Nova Cultural.