departamento de ciência dos materiais e metalurgia 1 total de exportações brasileiras
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Total de exportações brasileirasTotal de exportações brasileiras
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Participação dos principais produtos Participação dos principais produtos exportadosexportados
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Exportações do setor mineralExportações do setor mineral
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Principais empresas mineradoras Principais empresas mineradoras brasileirasbrasileiras
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Exportação de minerais metálicosExportação de minerais metálicos
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Exportação de minério de ferroExportação de minério de ferro
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Comparativo das taxas de crescimentoComparativo das taxas de crescimentoPIB PIB vsvs. Indústria extrativa mineral. Indústria extrativa mineral
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Evolução da Carga nos Altos FornosEvolução da Carga nos Altos Fornos
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1948 1953 1958 1963 1968 1973 1978 1983 1988 1993 1998
Com
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Granulado
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Pelota
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Minério de ferroMinério de ferro
Sistema Norte – Minérios de alto teor Esse sistema é composto pelo Complexo Minerador da Serra dos Carajás, no Pará, e pelo Terminal Marítimo de Ponta da Madeira (TMPM), no Maranhão. A essas atividades está integrado o transporte de minério através da EFC (Estrada de Ferro Carajás),
atualmente no âmbito da área de negócio da Logística.
Sistema Sul – baixo teor (precisam de concentração)
O Sistema Sul é composto por quatro complexos mineradores: Itabira, Mariana, Minas Centrais e Minas do Oeste. Esses complexos englobam mais de 15 minas, localizadas no Quadrilátero Ferrífero, em Minas Gerais.
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Produção do AçoProdução do Aço
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FerroFerro PrimárioPrimário
Fontes de FerroFontes de Ferro
5mm<Pelotas<18mm5mm<Pelotas<18mm 5mm<Sinter<50mm 5mm<Sinter<50mm 6mm< Minério <40mmgranulado
6mm< Minério <40mmgranulado
Em detalhe Em detalhe
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Processo de PelotizaçãoProcesso de Pelotização
Pelotas são aglomerados de forma esférica Pelotas são aglomerados de forma esférica formados pela pelotização de minérios finos com o formados pela pelotização de minérios finos com o auxílio de aditivos seguido por um endurecimento auxílio de aditivos seguido por um endurecimento a frio ou a quente. a frio ou a quente.
Os aditivos geralmente utilizados são: fundentes Os aditivos geralmente utilizados são: fundentes (calcário, dolomita), aglomerantes (bentonita, cal (calcário, dolomita), aglomerantes (bentonita, cal hidratada) e combustível sólido (antracito)hidratada) e combustível sólido (antracito)
Existem basicamente dois tipos de pelotas:Existem basicamente dois tipos de pelotas: PAF: Pelotas para Alto FornoPAF: Pelotas para Alto Forno PRD: Pelotas para Redução DiretaPRD: Pelotas para Redução Direta
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Processo de PelotizaçãoProcesso de Pelotização
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Processo de PelotizaçãoProcesso de Pelotização
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Processo de SinterizaçãoProcesso de Sinterização
Sinteres são aglomerados de forma irregular e Sinteres são aglomerados de forma irregular e esponjosa formados por meio de uma combustão esponjosa formados por meio de uma combustão forçada (sinterização)forçada (sinterização) de um combustível de um combustível previamente adicionado à mistura (finos minério de previamente adicionado à mistura (finos minério de ferro; fundentes – calcário, areia; combustível – finos ferro; fundentes – calcário, areia; combustível – finos de coque; aditivos – corretivo de características para de coque; aditivos – corretivo de características para aproveitamento de resíduos de recirculação).aproveitamento de resíduos de recirculação).
Tecnologia criada com o objetivo de aproveitar Tecnologia criada com o objetivo de aproveitar minérios finos (quantidade crescente no mundo) e minérios finos (quantidade crescente no mundo) e resíduos industriais. resíduos industriais.
A sinterização atual visa basicamente elaborar uma A sinterização atual visa basicamente elaborar uma carga de altíssima qualidade para o AF.carga de altíssima qualidade para o AF.
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Forno de igniçãoAlimentador
Chaminé
Exaustor Caixa deDespoeiramento
Tambor de mistura
A B C D E F
Silos de armazenagem
INSUMOSFinos de retornoFinos de minérioCoqueCalcárioPó de alto forno
Fragmentação do bolo de sinter
Peneiramento a quente
Sinter
Peneiramento a frioFinos de retorno
Resfriador rotativo
Processo de SinterizaçãoProcesso de Sinterização
Máquina de sinterizaçãoMáquina de sinterização
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Processo de SinterizaçãoProcesso de Sinterização
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Mistura úmida
Camada de Forramento
Gás
Forno de ignição
Succção
Sinter
Zona de Combustão
Mistura Seca e Calcinada
Ar
Gás
Succção
Antes da queima Antes da queima Durante a queimaDurante a queima
Forno de ignição
Ar
Antes da queima Antes da queima Durante a queimaDurante a queima
Processo de Sinterização – cont.Processo de Sinterização – cont.
Forno de ignição e evolução do processoForno de ignição e evolução do processo
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CoqueriaCoqueria
O coque é o produto sólido da destilação de uma O coque é o produto sólido da destilação de uma mistura de carvões realizada a em torno de mistura de carvões realizada a em torno de 11001100ooC em fornos chamados coquerias.C em fornos chamados coquerias.
A destilação dá origem aos produtos carbo-A destilação dá origem aos produtos carbo-químicos (gases, vapores condensáveis, benzol, químicos (gases, vapores condensáveis, benzol, alcatrão, etc) que são comercializados pelas alcatrão, etc) que são comercializados pelas siderúrgicas. O gás de coqueria e´um importante siderúrgicas. O gás de coqueria e´um importante insumo para a própria usina.insumo para a própria usina.
O processo de coqueificação consiste no O processo de coqueificação consiste no aquecimento do carvão mineral na ausência da ar. aquecimento do carvão mineral na ausência da ar.
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Fornecer o calor necessário às necessidades Fornecer o calor necessário às necessidades térmicas do processo;térmicas do processo;
Produzir e "regenerar" os gases redutores;Produzir e "regenerar" os gases redutores;
Carburar o ferro gusa;Carburar o ferro gusa;
Fornecer o meio permeável nas regiões inferiores do Fornecer o meio permeável nas regiões inferiores do forno onde o restante da carga está fundida ou em forno onde o restante da carga está fundida ou em fusão.fusão.
O Papel do Coque no Alto FornoO Papel do Coque no Alto Forno
CoqueriaCoqueria
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Seqüência de operaçãoSeqüência de operação
CoqueriaCoqueria
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Detalhes do processoDetalhes do processo
Típica Bateria de coqueificação Típica Bateria de coqueificação
Coque incandescente
pronto para ser descarregado
Coque incandescente
pronto para ser descarregado
CoqueriaCoqueria
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ALTO FORNO ALTO FORNO é um processo de redução em forno de é um processo de redução em forno de cuba para a produção de metal líquido (gusa) a partir cuba para a produção de metal líquido (gusa) a partir de pelotas, sinter, minério granulado e coque.de pelotas, sinter, minério granulado e coque.
COREXCOREX® ® é um processo de redução em forno de cubaé um processo de redução em forno de cuba para produção de metal líquido a partir de pelotas, para produção de metal líquido a partir de pelotas, minério granulado e carvão não coqueificável.minério granulado e carvão não coqueificável.
FINMET® FINMET® é um processo de redução direta em leito é um processo de redução direta em leito fluidizado utilizando finos de minério de ferro e gás fluidizado utilizando finos de minério de ferro e gás natural, gerando um produto com 92% de metalização.natural, gerando um produto com 92% de metalização.
MIDREX® e HyLMIDREX® e HyL são processos de redução em forno são processos de redução em forno de cuba utilizando gás redutor rico em CO para a de cuba utilizando gás redutor rico em CO para a produção de ferro esponja a partir de pelotas e produção de ferro esponja a partir de pelotas e minérios granuladominérios granulado.
Produção de ferro primárioProdução de ferro primário
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Alto FornoAlto Forno
O alto forno é um forno de cuba que operado em O alto forno é um forno de cuba que operado em regime de contra corrente. regime de contra corrente.
No topo do forno o coque, calcário, e o material No topo do forno o coque, calcário, e o material portador de ferro (sinter, pelotas e minério portador de ferro (sinter, pelotas e minério granulado) são carregado em diferentes camadas. granulado) são carregado em diferentes camadas.
A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por gravidade reagindo com o gás que sobe.gravidade reagindo com o gás que sobe.
Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dos Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dos regeneradores) é injetado através das ventaneiras.regeneradores) é injetado através das ventaneiras.
Em frente as ventaneiras o OEm frente as ventaneiras o O22, presente no ar, reage , presente no ar, reage
com o coque formando monóxido de carbono (CO) com o coque formando monóxido de carbono (CO) que ascende no forno reduzindo o óxido de ferro que ascende no forno reduzindo o óxido de ferro presente na carga que desce em contra corrente. presente na carga que desce em contra corrente.
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Alto FornoAlto Forno
John A. Ricketts, Ispat Inland, Inc.
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A matéria prima requer de 6 a 8 horas para alcançar o fundo do forno (cadinho) na forma do produto final de metal fundido (gusa) e escória líquida (mistura de óxidos não reduzidos). Estes produtos líquidos são vazados em intervalos regulares de tempo.
Os produtos do alto forno são o gusa (que segue para o processo de refino do aço), a escória (matéria-prima para a indústria de cimento), gases de topo e material particulado.
Uma vez iniciada a campanha de um alto forno ele será operado continuamente de 4 a 10 anos com paradas curtas para manutenções planejadas.
Alto FornoAlto Forno
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Processo Temperatura (°C) H (kJ/Kmol) Evaporação da umidade 100 + 6,490 Remoção da água de hidratação 120 - 300 + 7,955 Remoção do CO2: 3 MnCO3 Mn3O4+CO2+CO 3 FeCO3 Fe3O4+CO2+CO FeCO3 FeO+CO2
> 525 380 - 570
> 570
+ 363,791 + 236,973 + 112,206
Redução do Fe2O3 a Fe3O4: 3Fe2O3+CO Fe3O4+CO2 400 - 550 - 52,854 Remoção do CO2: MgCO3 MgO+CO2 MgCO3
.CaCO3 MgO.CaO+CO2 400 - 500 400 - 750
+ 114,718 + 304,380
Decomposição do CO: 2CO CO2+C 450 - 600 - 172,467 Redução do Fe3O4 a FeO: Fe3O4+CO 3FeO+CO2 570 - 800 + 36,463 Remoção do CO2: CaCO3 CaO+CO2 850 - 950 + 177,939 Redução do FeO a Fe: FeO+CO Fe+CO2 650 - Ts - 17,128 Reação de Boudouard: CO2+C 2CO > 900 + 172,467 Fusão da escória primária 1100 + 921,1 (kg slag) Dissolução do CaO na escória primária 1250 + 1046,7 (kg Fe) Combustão do Ccoque: Ccoque+O2 CO 2Ccoque+CO2 2CO Ccoque+0.5O2 CO
1800 - 2000 2000 - 1450
1550
- 406,120 + 172,467
- 116,83
Alto FornoAlto Forno
Reações químicas típicas do Alto FornoReações químicas típicas do Alto Forno
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Alto FornoAlto Forno
Minério
Coque
ZonaGranular
Zonade Amolecimento
e Fusão
Zonade Coque Ativa
Camadaem Amolecimento
e Fusão
Zonade Combustão
Cadinho
Zona deGotejamento
Zonade CoqueEstagnado
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COQUEMINÉRIO
Fe2O3 MnO2 P2O5 K2O SiO2 CaO Al2O3
ESCÓRIA
GUSA
Fe3O4
FeO
FeO
Fe (99%) Si (10%)
SiO2 CaO Al2O3P2O5
P (95%)
GÁ
S
K2O
GÁ
S
C
C (12%)
GÁ
S
Mn (70%)
MnO
GÁ
S
Mn3O4
MnO
As condições termodinâmicas existentes no interior do reator As condições termodinâmicas existentes no interior do reator promovem a incorporação de algumas impurezas ao gusa líquido promovem a incorporação de algumas impurezas ao gusa líquido e separa outras na fase escória e gás.e separa outras na fase escória e gás.
Alto FornoAlto Forno
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Pré-tratamento do gusaPré-tratamento do gusa
De forma a maximizar a produtividade do Conversor De forma a maximizar a produtividade do Conversor LD ou Forno a Arco Elétrico (EAF) e minimizar os LD ou Forno a Arco Elétrico (EAF) e minimizar os custos de refino é importante executar um pré-custos de refino é importante executar um pré-tratamento do gusa antes da fase de refino.tratamento do gusa antes da fase de refino.
O pré-tratamento do gusa inclui: O pré-tratamento do gusa inclui: - remoção de enxofre - remoção de enxofre - remoção de- remoção de Silício Silício - remoção de- remoção de fósforo fósforo - processos para redução do teor de Va, Cr, Ti e Mn- processos para redução do teor de Va, Cr, Ti e Mn
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Planta de dessulfuraçãoPlanta de dessulfuração
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Produção do Aço LíquidoProdução do Aço Líquido
A produção do aço líquido se dá através da oxidação A produção do aço líquido se dá através da oxidação controlada das impurezas presentes no gusa líquido controlada das impurezas presentes no gusa líquido e na sucata. e na sucata.
Este processo é denominado refino do aço e é Este processo é denominado refino do aço e é realizado em uma instalação conhecida como realizado em uma instalação conhecida como aciaria.aciaria.
O refino do aço normalmente é realizado em O refino do aço normalmente é realizado em batelada pelos seguintes processos:batelada pelos seguintes processos:-- Aciaria a oxigênio – Conversor LD (carga Aciaria a oxigênio – Conversor LD (carga predominantemente líquida).predominantemente líquida).-- Aciaria elétrica – Forno elétrico a arco –Aciaria elétrica – Forno elétrico a arco – FEA FEA
(carga predominantemente(carga predominantemente sólida).sólida).
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Conversor LDConversor LD
Responsável por cerca 60% (540 milhões ton/ano) Responsável por cerca 60% (540 milhões ton/ano) da produção de aço líquido mundial, a tecnologia da produção de aço líquido mundial, a tecnologia continua a ser a mais importante rota para a continua a ser a mais importante rota para a produção de aço, particularmente, chapas de aço de produção de aço, particularmente, chapas de aço de alta qualidade.alta qualidade.
Processo industrial teve início em 1952, quando o Processo industrial teve início em 1952, quando o oxigênio tornou-se industrialmente barato. A partir oxigênio tornou-se industrialmente barato. A partir daí o crescimento foi explosivo.daí o crescimento foi explosivo.
Permite elaborar uma enorme gama de de tipos de Permite elaborar uma enorme gama de de tipos de aços, desde o baixo carbono aos média-liga.aços, desde o baixo carbono aos média-liga.
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Conversor LDConversor LD
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Conversor LDConversor LD
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Aciaria ElétricaAciaria Elétrica
Processo industrial começou no início do século XX.Processo industrial começou no início do século XX.
Inicialmente, o forno elétrico era considerado Inicialmente, o forno elétrico era considerado sobretudo como um aparelho para a fabricação de sobretudo como um aparelho para a fabricação de aços especiais, inoxidáveis e de alta liga.aços especiais, inoxidáveis e de alta liga.
Atualmente, ele tem sido cada vez mais utilizado na Atualmente, ele tem sido cada vez mais utilizado na fabricação de aço carbono.fabricação de aço carbono.
Processo reciclador de sucata por excelência; não Processo reciclador de sucata por excelência; não há restrição para proporção de sucata na carga.há restrição para proporção de sucata na carga.
A participação do aço elétrico no mundo vem A participação do aço elétrico no mundo vem crescendo substancialmente nas últimas décadas.crescendo substancialmente nas últimas décadas.
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Aciaria ElétricaAciaria Elétrica
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Metalurgia de PanelaMetalurgia de Panela
Após o refino, o aço ainda não se encontra em Após o refino, o aço ainda não se encontra em condições de ser lingotado. O tratamento a ser feito condições de ser lingotado. O tratamento a ser feito visa os acertos finais na composição química e na visa os acertos finais na composição química e na temperatura. Portanto, situa-se entre o refino e o temperatura. Portanto, situa-se entre o refino e o lingotamento contínuo na cadeia de produção de lingotamento contínuo na cadeia de produção de aço carbono.aço carbono.
Desta forma o FEA ou o conversor LD pode ser Desta forma o FEA ou o conversor LD pode ser liberado, maximizando a produção de aço.liberado, maximizando a produção de aço.
- Forno de panela- Forno de panela
- Desgaseificação- Desgaseificação
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As seguintes operações podem ser executadas:As seguintes operações podem ser executadas:
- Homogeneização do calor; - Homogeneização do calor;
- Ajuste da composição; - Ajuste da composição;
- Ajuste da temperatura do aço; - Ajuste da temperatura do aço; - Desoxidação – remoção do oxigênio residual do aço e Desoxidação – remoção do oxigênio residual do aço e
cria condições termodinâmicas para a adição de cria condições termodinâmicas para a adição de elementos de liga (os desoxidantes mais comuns são elementos de liga (os desoxidantes mais comuns são ferro-ligas, escolhidos em função do aço a ser ferro-ligas, escolhidos em função do aço a ser fabricado (FeMn, FeSiMn) e Alumínio. fabricado (FeMn, FeSiMn) e Alumínio.
- Desulfuração com escória sintética ou injeção de pós;Desulfuração com escória sintética ou injeção de pós;- Desfoforação Desfoforação
Forno de PanelaForno de Panela
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Forno de PanelaForno de Panela
Forno na metalurgia de panela
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É uma operação que tem como objetivo a remoção É uma operação que tem como objetivo a remoção de gases residuais do aço (hidrogênio, nitrogênio e de gases residuais do aço (hidrogênio, nitrogênio e oxigênio) e secundariamente auxilia na remoção oxigênio) e secundariamente auxilia na remoção de inclusões.de inclusões.
Na siderurgia, a desgaseificação é processada de Na siderurgia, a desgaseificação é processada de duas maneiras:duas maneiras:
- Desgaseificação à vacuo- Desgaseificação à vacuo
- Desgaseificação com sopro de argônio- Desgaseificação com sopro de argônio
DesgaseificaçãoDesgaseificação
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Desgaseficação a vácuo
DesgaseificaçãoDesgaseificação
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Toda a etapa de refino do aço se dá no estado Toda a etapa de refino do aço se dá no estado líquido. É necessário, pois, solidificá-lo de forma líquido. É necessário, pois, solidificá-lo de forma adequada em função da sua utilização posterior.adequada em função da sua utilização posterior.
O lingotamento do aço pode ser realizado de três O lingotamento do aço pode ser realizado de três maneiras distintas:maneiras distintas:
- - DIRETO: o aço é vazado diretamente na DIRETO: o aço é vazado diretamente na lingoteira;lingoteira;
- INDIRETO: o aço é vazado num conduto vertical - INDIRETO: o aço é vazado num conduto vertical penetrando na lingoteira pela sua base;penetrando na lingoteira pela sua base;
- CONTÍNUO: o aço é vazado continuamente para - CONTÍNUO: o aço é vazado continuamente para um molde de cobre refrigerado à água.um molde de cobre refrigerado à água.
LingotamentoLingotamento
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Lingotamento ContínuoLingotamento Contínuo
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O lingotamento contínuo é um processo pelo qual o O lingotamento contínuo é um processo pelo qual o aço fundido é solidificado em um produto semi-aço fundido é solidificado em um produto semi-acabado, tarugo, perfis ou placas para subseqüente acabado, tarugo, perfis ou placas para subseqüente laminação.laminação.
Antes da introdução do lingotamento contínuo, nos Antes da introdução do lingotamento contínuo, nos anos 50, o aço era vazado em moldes estacionário anos 50, o aço era vazado em moldes estacionário (lingoteiras).(lingoteiras).
Lingotamento ContínuoLingotamento Contínuo
Seções possíveis Seções possíveis no lingotamento no lingotamento contínuo (mm)contínuo (mm)
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ConformaçãoConformação
A grande importância dos metais na tecnologia A grande importância dos metais na tecnologia moderna deve-se, em grande parte, à facilidade com moderna deve-se, em grande parte, à facilidade com que eles podem ser produzidos nas mais variadas que eles podem ser produzidos nas mais variadas formas, para atender a diferentes usos. formas, para atender a diferentes usos.
Os processos de fabricação de peças a partir dos Os processos de fabricação de peças a partir dos metais no estado sólido podem ser classificados em: metais no estado sólido podem ser classificados em:
-- Conformação Mecânica: volume e massa são Conformação Mecânica: volume e massa são conservados; conservados;
-- Remoção Metálica ou Usinagem: retira-se Remoção Metálica ou Usinagem: retira-se material material para se obter a forma desejada;para se obter a forma desejada;
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Os processos de conformação mecânica podem ser Os processos de conformação mecânica podem ser classificados de acordo com o tipo de força aplicada classificados de acordo com o tipo de força aplicada ao material:ao material:
-- Compressão direta:Compressão direta: Forjamento, Laminação; Forjamento, Laminação;
-- Compressão indireta:Compressão indireta: Trefilação, Extrusão, Trefilação, Extrusão, Embutimento;Embutimento;
-- Trativo: Trativo: Estiramento;Estiramento;
-- Dobramento: Dobramento: Dobramento;Dobramento;
-- Cisalhamento: Cisalhamento: Corte.Corte.
ConformaçãoConformação
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ExtrusãoExtrusão: Processo no qual um bloco de metal tem : Processo no qual um bloco de metal tem reduzida sua seção transversal pela aplicação de reduzida sua seção transversal pela aplicação de pressões elevadas, forçando-o a escoar através do pressões elevadas, forçando-o a escoar através do orifício de uma matriz.orifício de uma matriz.
TrefilaçãoTrefilação: Processo que consiste em puxar o metal : Processo que consiste em puxar o metal através de uma matriz, por meio de uma força de através de uma matriz, por meio de uma força de tração a ele aplicada na saída dessa mesma matriz.tração a ele aplicada na saída dessa mesma matriz.
Tipos de ConformaçãoTipos de Conformação
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ForjamentoForjamento: Processo de transformação de metais por : Processo de transformação de metais por prensagem ou martelamento (é a mais antiga forma de prensagem ou martelamento (é a mais antiga forma de conformação existente).conformação existente).
LaminaçãoLaminação: Processo de deformação plástica no qual : Processo de deformação plástica no qual o metal tem sua forma alterada ao passar entre rolos e o metal tem sua forma alterada ao passar entre rolos e rotação. É o de maior uso em função de sua alta rotação. É o de maior uso em função de sua alta produtividade e precisão dimensional. Pode ser a quente produtividade e precisão dimensional. Pode ser a quente ou a frio.ou a frio.
Tipos de ConformaçãoTipos de Conformação
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Dobramento
Forjamento
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Trefilação
EmbutimentoProfundoEstiramento
Matriz
Cisalhamento
ExtrusãoExtrusão
Tipos de ConformaçãoTipos de Conformação
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Lingotamento e LaminaçãoLingotamento e Laminação
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Nomenclatura para AçosNomenclatura para Aços
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Produção do Aço - ResumoProdução do Aço - Resumo