PROCESSOS SIDERÚRGICOS / FABRICAÇÃO DO AÇO

IFRJ / CAMPUS DUQUE DE CAXIAS

PROCESSOS INORGÂNICOS

AULA SOBRE PROCESSOS SIDERÚRGICOS

PROF OCTAVIO GOUVEIA

Introdução

O ferro se combina tão fortemente com o oxigênio, que é preciso temperaturas muito altas – mais de 1.000 °C – para separá-lo do minério de ferro. Na pré-história (período que os historiadores definem como sendo anterior à escrita), com fogueiras e fornos comuns, tais temperaturas eram muito difíceis de serem alcançadas.

O bronze – liga de cobre e estanho – já era obtido há cerca de 5.300 anos, mas o ferro só pôde ser obtido mais tarde, com o aperfeiçoamento de fornos com os quais se obtinham temperaturas mais altas (basicamente com mecanismos, como o fole, que sopravam o ar no meio do fogo).

Melhorias subseqüentes possibilitaram a produção de pequenas quantidades de aço. Com a invenção do alto-forno na Idade Média, uma quantidade maior de aço pôde ser fabricada e utilizada principalmente em armas, como espadas, e em armaduras e escudos. O processo industrial de obtenção do aço ocorreu no século XIX, aumentando enormemente a quantidade fabricada e barateando o produto final.

A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como adicionar-lhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão, etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela civilização industrial.

Basicamente, o aço é uma liga de ferro e carbono. O ferro é encontrado em toda crosta terrestre, fortemente associado ao oxigênio e à sílica. O minério de ferro é um óxido de ferro, misturado com areia fina.

O carbono é também relativamente abundante na natureza e pode ser encontrado sob diversas formas. Na siderurgia, usa-se carvão mineral, e em alguns casos, o carvão vegetal.

O carvão exerce duplo papel na fabricação do aço. Como combustível, permite alcançar altas temperaturas (cerca de 1.500º Celsius) necessárias à fusão do minério. Como redutor, associa-se ao oxigênio que se desprende do minério com a alta temperatura, deixando livre o ferro. O processo de remoção do oxigênio do ferro para ligar-se ao carbono chama-se redução e ocorre dentro de um equipamento chamado alto forno.

Antes de serem levados ao alto forno, o minério e o carvão são previamente preparados para melhoria do rendimento e economia do processo. O minério é transformado em pelotas e o carvão é destilado, para obtenção do coque, dele se obtendo ainda subprodutos carboquímicos.

No processo de redução, o ferro se liquefaz e é chamado de ferro gusa ou ferro de primeira fusão. Impurezas como calcário, sílica etc. formam a escória, que é matéria-prima para a fabricação de cimento.

A etapa seguinte do processo é o refino. O ferro gusa é levado para a aciaria, ainda em estado líquido, para ser transformado em aço, mediante queima de impurezas e adições. O refino do aço se faz em fornos a oxigênio ou elétricos.

Finalmente, a terceira fase clássica do processo de fabricação do aço é a laminação. O aço, em processo de solidificação, é deformado mecanicamente e transformado em produtos siderúrgicos utilizados pela indústria de transformação, como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões, arames, perfilados, barras etc.

Com a evolução da tecnologia, as fases de redução, refino e laminação estão sendo reduzidas no tempo, assegurando maior velocidade na produção.

Classificações

As usinas de aço do mundo inteiro classificam-se segundo o seu processo produtivo:

·         Integradas –que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação;
participam de todo o processo produtivo e produzem aço.

·         Semi-integradas - que operam duas fases: refino e laminação. Estas usinas partem de ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridas de terceiros para transformá-los em aço em aciarias elétricas e sua posterior laminação.

Além disso, em função dos produtos que preponderam em suas linhas de produção, as usinas também podem ser assim classificadas:

·         De semi-acabados (placas, blocos e tarugos)

·         De planos aços carbono (chapas e bobinas)

·         De planos aços especiais / ligados (chapas e bobinas)

·         De longos aços carbono (barras, perfis, fio máquina, vergalhões, arames e tubos sem costura)

·         De longos aços especiais / ligados (barras, fio-máquina, arames e tubos sem costura)

Existem ainda unidades produtoras chamadas de não integradas, que operam apenas uma fase do processo: processamento (laminação ou trefilas) ou redução.

Laminação

Estão os relaminadores, geralmente de placas e tarugos, adquiridos de usinas integradas ou semi-integradas e os que relaminam material sucatado.

No mercado produtor operam ainda unidades de pequeno porte que se dedicam exclusivamente a produzir aço para fundições.

Trefilação

São as trefilarias, unidades que dispõem apenas de trefilas, em que produtores de arames e barras utilizam o fio-máquina como matéria prima.

Redução

São os produtores de ferro gusa, os chamados guseiros, que têm como característica comum o emprego de carvão vegetal em altos fornos para redução do minério, mas que se trata de atividade industrial distinta.

De acordo com a CNAE / IBGE (instrumento de padronização nacional dos códigos de atividade econômica do país), a Metalurgia é uma divisão da seção das Indústrias de Transformação. É nessa atividade econômica que ocorre a conversão de minérios ferrosos e não-ferrosos em produtos metalúrgicos e produtos intermediários do processo.

A Siderurgia, setor no qual ocorre a fabricação do aço em forma de semi-acabados, laminados, relaminados, trefilados e tubos sem costura, é classificada como um grupo específico na divisão de metalurgia, seção na qual estão inseridas outras atividades correlatas. Dentro da metalurgia, os produtores independentes de gusa e de ferro-ligas compõem outro grupo.

Etapas

O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão e cal. A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, redução, refino e laminação.

1. Preparação da carga

·         Grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque.

·         O produto resultante é chamado de sinter.

·         O carvão é processado na coqueria e transforma-se em coque.

Principais minérios de ferro:

hematita (Fe2O3), limonita (Fe2O3.2H2O), magnetita (Fe3O4).

Os sulfetos de ferro, como a pirita (FeS2), são abundantes na natureza, mas não servem para a extração e produção do ferro, pois o enxofre é um dos elementos mais prejudiciais às propriedades do ferro e do aço.

A extração ou metalurgia do ferro e de suas ligas recebe o nome de siderurgia. Os principais produtos siderúrgicos são:

§  ferro gusa: liga de ferro com 2% a 5% de carbono, além de impurezas como Mn, Si, P, dentre outros;

§  ferro fundido: liga de ferro com de 2% a 5% de carbono, mas com quantidades de impurezas menores que o gusa;

§  aço, aço comum, aço-carbono: liga de ferro com de o,2% a 1% de carbono e baixa concentração de impurezas (Mn, Si, P, S, dentre outros);

§  aço doce: aço que contém menos de 0,2% de carbono;

§  aços-liga: aços que contém outros elementos químicos e que apresentam quantidades especiais.

A produção do ferro e suas ligas começou na pré-história (Idade do Ferro) e cresceu muito a partir de 1750, quando teve início a era da industrialização. Atualmente o processo siderúrgico começa, via de regra, pela produção do gusa, nos chamados altos-fornos.

2. Redução

PREPARAÇÃO DA CARGA

A carga é levada por caçambas e introduzida na parte superior do alto-forno e é formanda fundamentalmente por: minério de ferro, carvão coque (queima produzindo o calor necessário ao funcionamento do forno, e produz também o CO que é o principal redutor do minério de ferro), fundente (considerando que as impurezas do minério de ferro são, em geral, sílica (SiO2) e silicatos de difícil fusão, usa-se como fundente o calcário (CaCO3). O produto da reação, o CaSiO3, irá formar a escória, que será retirada na parte inferior do forno.

·         Essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto forno.

·         Oxigênio aquecido a uma temperatura de 1000ºC é soprado pela parte de baixo do alto forno.

·         O carvão, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro em um metal líquido: o ferro-gusa.

·         O gusa é uma liga de ferro e carbono com um teor de carbono muito elevado.

3. Refino

·         Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e a sucata de ferro e aço em aço líquido.

·         Nessa etapa parte do carbono contido no gusa é removido juntamente com impurezas.

·         A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir semi-acabados, lingotes e blocos.

ALTO-FORNO

As impurezas presentes no minério de ferro são removidas com seu
aquecimento -juntamente com carvão mineral e outras substâncias – em altoforno. O alto-forno é um forno especial com revestimento para resistir a altas temperaturas – a mais de 1200 °C.

 Desse processo de aquecimento resulta o ferro-gusa – usado na produção do aço – e a escória, constituída de impurezas que são removidas (podendo ser usadas na fabricação de cimento).

FERRO GUSA

Pela parte inferior, são escoados, a cada 4 ou 5 horas, em primeiro lugar a escória (que é utilizada para pavimentação ou fabricação de cimento) e, em segundo lugar o ferro-gusa. O ferro-gusa é aquecido em um forno chamado conversor. A injeção de oxigênio ajuda a eliminar
as impurezas restantes. Outras substâncias são acrescentadas para conferir propriedades. Ao fim do processo é produzido o aço na forma líquida.

LINGOTE

O aço refinado é transportado à unidade de lingotamento contínuo e ali vazado em um distribuidor com diversos veios. Em cada veio, o aço líquido passa por moldes de resfriamento para solidificar-se no formato conveniente para a laminação.

4. Laminação

·         Os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos, cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química.

·         Na laminação o lingote de aço passa por entre dois cilindros que o comprimem para reduzira espessura da peça de modo semelhante ao que ocorre nas máquinas de preparo de massa para pastéis.

5. Usos do Aço

Diversas indústrias transformam os produtos das
siderúrgicas para ser aplicados na construção civil
ou em objetos presentes no nosso dia-a-dia.

As características do aço comum

§  Porcentagem do carbono – aços com teores baixos de carbono são mais maleáveis e dúcteis; aços com mais carbono são mais duros e tenazes.

§  Tratamento térmico – é o aquecimento seguido de resfriamento do aço, com intensidades e velocidades variáveis; isso altera as propriedades do aço, pois modifica sua estrutura cristalina.

Dois exemplos de tratamento térmico importantes são:

§  têmpera: é o aquecimento seguido de resfriamento rápido do aço, com esse tratamento, o aço fica mais “duro”, porém mais “quebradiço”.

§  recozimento: é o aquecimento seguido de resfriamento mais lento do aço, com isso ele fica mais elástico, porém menos “duro”.

6. Tipos de aço

§  aço inoxidável: Fe + C + Cr + Ni

§  aço para trilhos: Fe + C + Mn

§  aço para ferramenta de corte: Fe + C + W + Mo

§  aço para ímãs: Fe + C + Al + Ni + Co