inovação na indústria do aço inoxidável: processo...

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Revista Vozes dos Vales – UFVJM – MG – Brasil – Nº 11 – Ano VI – 05/2017 Reg.: 120.2.095–2011 – UFVJM – QUALIS/CAPES – LATINDEX – ISSN: 2238-6424 – www.ufvjm.edu.br/vozes

Ministério da Educação – Brasil

Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – UFVJM

Minas Gerais – Brasil Revista Vozes dos Vales: Publicações Acadêmicas

Reg.: 120.2.095 – 2011 – UFVJM ISSN: 2238-6424

QUALIS/CAPES – LATINDEX Nº. 11 – Ano VI – 05/2017

http://www.ufvjm.edu.br/vozes

Inovação na indústria do aço inoxidável:

processo produtivo do aço colorido

Profª. Drª. Flaviana Tavares Vieira Teixeira

Doutora em Química Inorgânica Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG/MG - Brasil

Docente do Instituto de Ciência e Tecnologia – Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – ICT/UFVJM - Brasil

http://lattes.cnpq.br/4311164481574410 E-mail: [email protected]

Prof. MSc. José Alberto de Sousa Mestrado em Engenharia Química

Universidade Federal de Uberlândia - UFU/MG - Brasil Docente do Instituto de Ciência e Tecnologia – Universidade Federal dos Vales do

Jequitinhonha e Mucuri – ICT/UFVJM - Brasil http://lattes.cnpq.br/4117153420204941

E-mail: [email protected]

Felipe Santana de Oliveira Cruz Mestrando em Engenharia Química

Discente do Programa de Mestrado da Universidade Federal de Viçosa – UFV http://lattes.cnpq.br/5083084283071108

E-mail: [email protected]

Rafael Alexandre da Silva Mestrando em Engenharia de Segurança do Trabalho

Programa de Pós-Graduação do Instituto de Educação Superior da Paraíba http://lattes.cnpq.br/4159623740090914 E-mail: [email protected]


http://lattes.cnpq.br/4311164481574410

mailto:[email protected]






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Resumo: Este artigo apresenta as preocupações constantes em novas formas de obtenção de energia, métodos eficazes na minimização dos impactos ambientais e metodologias que permitam melhorar as propriedades dos materiais e que têm causado interesse no desenvolvimento de rotas alternativas de produção industrial. Tem como finalidade uma revisão bibliográfica sobre a Indústria de Aço Inoxidável Austenítico (25% Cr, 15% Ni) Colorido, sendo tal coloração realizada através da aplicação de laser Q-switched third-harmonic Nd:YVO4. Palavras-chave: Aço, aço inoxidável colorido, siderurgia.

Introdução

Da origem do ferro ao aço inoxidável

Desde os primórdios da humanidade, especificamente no Período Neolítico,

quando deu-se o início da formação da sociedade, o ser humano obteve

conhecimento para obtenção do ferro (Fe), um material duro e resistente. O ferro

não era de fácil obtenção e era altamente escasso para os primeiros povos até o

momento que o homem desenvolveu um processo para sua manufatura a partir de

seus minérios, tornando-o produto de grande valia (Vargas, 2004).

Com a chegada da Idade do Bronze, cerca de 8000 anos atrás, nas

localidades onde existia vasta concentração de minério de ferro (magnetita,

hematita, limonita, e siderita), foi desenvolvido um meio para a produção do metal,

no qual fogueiras feitas e sustentadas por pedras dos minérios citados propiciaram

as condições físico-químicas para que o processo ocorresse (Vargas, 2004).

A partir deste marco o homem descobriu que, para produzir ferro, era preciso

carvão vegetal e elevadas temperaturas. Inicialmente o processo era uma queima

lenta, onde se fundia minério de ferro com carvão vegetal em um cadinho de barro.

Obtido o metal, o mesmo era reaquecido ao rubro e trabalhado em martelo-pilão.

Com o decorrer do tempo e obtenção de experiência, o homem conseguiu extrair

todo o ferro a partir de seus óxidos, com posterior processamento para a produção

de aço (Vargas, 2004).

Já no século XVII, houve a descoberta do que hoje é conhecido por coque,

pelo inglês Abraham Darby, o qual desenvolveu um procedimento de destilação do

carvão mineral. O surgimento do coque aprimorou a metalurgia, levando ao

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desenvolvimento e surgimento de cadinhos de alta capacidade, alto-forno, fornalhas

de reaquecimento para forjamento, entre outros (Vargas, 2004). No ano de 1856,

começou a ser possível obter aço (liga de ferro, carbono e outros elementos

minoritários) em enormes volumes e a custo baixo, devido ao conversor de

Bessemer, a partir do qual, as impurezas do ferro (Fe) eram removidas através da

oxidação por ar (especialmente O2) introduzido no conversor. Já em 1865, foi criado

o método Siemens-Martin, sendo sua principal vantagem o uso de sucata de aço

(Ex: 50% de sucata e 50% de gusa, produto da redução do minério de ferro)

(Aperam, 2014; Rizzo, 2005). Atualmente, o processo se baseia na redução dos

óxidos de ferro, para posterior produção de aço, e pode ser realizado pelos

seguintes métodos: Alto-forno (AF), Forno elétrico a arco (FEA) e Redução direta

(Oliveira, 2009).

A ciência metalúrgica abriu caminho ao emprego dos chamados elementos de

liga. Estes por sua vez são obtidos, pela adição de elementos tais como: molibdênio,

cromo, níquel, silício e outros ao aço carbono, conferindo diversas características

especiais e novas aplicações ao aço. A partir desta definição, os aços são divididos

em dois grupos: aços carbono e aços especiais. O primeiro é formado por aços

comuns (tubos, barras, laminados) e o segundo, por aços com propriedades

específicas (aço com resistência mecânica e à exposição a ambientes corrosivos)

(Chiaverni, 1965).

Devido aos danos causados ao aço por ambientes nocivos, os pesquisadores

e estudiosos começaram a aperfeiçoar, melhorar e criar aços e outras ligas que

fossem resistentes à corrosão. Dentre estas, a liga com teor de carbono entre 0,03 e

0,95% contendo no mínimo 11% de cromo, ficou conhecida como aço inoxidável.

Com isso, pode-se dizer que o aço inoxidável é na realidade uma evolução do aço

carbono, devido ao incremento de cromo, garantindo uma maior durabilidade e

resistência. Este tipo de aço apresenta alta proteção à oxidação superficial em uma

diversidade de ambientes, conservando assim a qualidade original dos produtos por

um tempo maior (Chiaverni, 1965; Vargas, 2004).

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História do aço inoxidável

O aço inoxidável foi elaborado por Harry Brearly (1871 – 1948), o qual

começou a investigar em 1912, a pedido dos fabricantes de armas, uma liga

metálica que possuísse resistência ao desgaste que ocorria nos canos de armas de

fogo (Chiaverni, 1965; Vargas, 2004).

Inicialmente, a pesquisa se baseava em estudar ligas que resistissem ao

desgaste. Entretanto, após realizar testes químicos para verificar a estrutura destas

ligas contendo cromo, Brearly se surpreendeu ao verificar que o ácido nítrico não

surtia efeito sobre a mesma. Assim, ficou claro que havia descoberto não uma liga

resistente à erosão e sim à corrosão (Chiaverni, 1965; Vargas, 2004).

Processo de fabricação do aço inoxidável

No primeiro momento, têm-se a sinterização ou pelotização do minério, para

triturar, peneirar, classificar, pesar e secar de forma a garantir uma granulometria

controlada e, assim, aumentar o rendimento do alto forno (Mosckem, 2010; Ribeiro,

2011).

Em unidades de transformação, o carvão mineral é promotor da energia,

sendo ele entregue ao processo na forma de carvão pulverizado e/ou coque,

favorecendo a mudança do minério de ferro (geralmente a hematita – Fe2O3) em

ferro gusa nos Altos-fornos (A.F). Outro fator importante é capacidade do carvão

mineral fornecer gás de coque – COG (Coke Oven Gas) para processos que

necessitam de energia térmica (Mosckem, 2010; Romeiro, 1997).

O A.F é um reator químico onde é realizada a transformação como

mencionado, a qual ocorre em contracorrente com carga metálica descendente

carregada no topo e por gases ascendentes. Os gases são produzidos no interior da

zona de combustão pela inserção de combustível e ar quente, conforme pode ser

visualizado na Figura 1.

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Figura 1. Esquema visual de um Auto-forno.

Fonte: adaptado de Mosckem, 2010.

Atualmente o carvão mineral é inserido nos A.F pulverizado, de forma

contínua, por meio de um fluxo gasoso de nitrogênio, diretamente na zona de

combustão, atuando conjuntamente com o coque, sínter (pó de minério de ferro

fundido a alta temperatura) e fundentes (calcário, dolomita) para fornecimento de

energia, agentes redutores, elementos da correção da viscosidade, volume e

temperatura da escória, necessários para redução do minério de ferro em ferro

metálico – ferro gusa. O uso de carvão pulverizado visa reduzir custos e aumentar a

produtividade (Mosckem, 2010).

Já a carga sólida (minério de ferro, fundentes e combustível/redutores) é

transportada ao topo do A.F através de skips (equipamentos responsáveis pela

distribuição da carga de entrada, vedamento de gás e controle da perda de pressão)

(Ribeiro, 2011). No processo de injeção, o carvão utilizado é o antracito, um material

de baixo teor de substâncias voláteis, ou seja, um carvão não coqueificável

(Mosckem, 2010).

Ao se iniciar o processo de reação do sopro de oxigênio com o carvão

pulverizado, inicia-se a formação de dióxido de carbono, de acordo com a equação

(1):

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C + O2 → CO2 (1)

A partir disso, o dióxido de carbono reage com o carbono do coque,

produzindo monóxido de carbono:

CO2 + C → 2CO (2)

Tais reações se dão à medida que ocorre o fluxo ascendente gasoso,

conforme a Figura 2, e apresenta reação global (Mosckem, 2010):

2C + O2 → 2CO (3)

Figura 2. Esquema demonstrativo das zonas em um Auto-forno.

Adaptado de Mosckem, 2010.

O ar soprado dentro do A.F apresenta umidade, a qual, em contato com o

carbono do carvão, promove a seguinte reação:

C + H2O → CO + H2 (4)

Seguidamente o monóxido de carbono interage com o minério de ferro

gerando ferro metálico:

3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2 (5)

Todo este processo resulta na produção de gás de alto forno, escória líquida

e o produto desejado, gusa líquido, o qual é usado como matéria-prima para obter o

aço (Mosckem, 2010).

A escória produzida é composta por ganga do minério (SiO2 e Al2O3),

fundentes (CaO e MgO) e cinzas do carvão e coque. Este produto apresenta

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densidade inferior ao ferro gusa, podendo ser separado facilmente por um processo

físico (Castro, 1998).

O ferro gusa obtido segue para o carregamento do carro torpedo, a escória

para o granulador de escória e o gás de A.F vai ser tratado e posteriormente pode

ser usado como combustível na indústria (Mosckem, 2010). Segundo Batista (2009)

o gás do A.F limpo é queimado para aquecimento do ar atmosférico para ser

inserido no alto-forno pelas ventaneiras.

O esquema completo de um A.F, demonstrando o carregamento de matéria-

prima e produto, pode ser visualizado na Figura 3 e Figura 4 para melhor

entendimento do procedimento técnico e reacional no equipamento.

Figura 3. Esquema geral de um A.F.

Adaptado de Isenmann, 2013.

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Figura 4. Esquema reacional em um A.F.


De acordo com Isenmann (2013), o ferro gusa, produto do A.F, é um ferro rico

em carbono (entre 2,5% e 4% de C) que não pode ser soldado e nem forjado, sendo

necessário reduzir o seu teor de carbono para se continuar a obtenção de aço inox.

Para se retirar o C do ferro-gusa, podem ser utilizados vários métodos oxidantes,

usando oxigênio, tais como:

Ar (Processo de Thomas, ultrapassado);

Oxigênio puro (Processo LD – Linz-Donawitzer, processo moderno);

Sucata;

Minério de ferro, sendo fonte de oxigênio.

O primeiro e segundo métodos ocorrem com produção de calor intenso,

devido às reações serem exotérmicas. Este fato torna compensador o sopro de ar

frio, o qual, ainda conserva o ferro gusa em estado líquido e de fácil manipulação.

Durante este processo são usados aditivos (metais de liga: Cr, Ni, Mn, Mo, W) e a

cal, que tem o papel de fixar os fosfatos e sulfatos em forma de escória (Isenmann,

2013).

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Na utilização destes dois processos é necessário usar um convertedor

alcalino facilitando a remoção da escória, a qual flutua sobre o metal fundido em

conformação de “Escória de Thomas” (Isenmann, 2013).

O processo LD e de Thomas duram aproximadamente 15 minutos,

produzindo o aço doce (0% C) e escória, a qual é retirada da superfície das pêras

oxidativas (Figura 5) por um rodo. Com a utilização desses procedimentos tem-se

uma perda de 10 a 12% de ferro na forma de óxido de ferro, o que pode ser evitado

pela presença de manganês (Isenmann, 2013).

Figura 5. Convertedores dos processos oxidativos do aço de A.F.


Em ambos os processos, é necessário fazer uma mistura do ferro-gusa do

A.F com ferro líquido-ralo e ferro espelho (Fe/Si) ou ainda ferro-manganês para

colocar o material com teor de carbono desejado. Além disso, são adicionados os

elementos de liga nesta etapa de acordo com a finalidade do aço (Isenmann, 2013).

O terceiro e quarto método são para redução direta do teor de carbono para

uma porcentagem conhecida e desejada, uma vez que o método é lento e

controlado e, ao final, obtém-se a matéria-prima para o aço (Isenmann, 2013).

O método de maior relevância, o Siemens-Martin, realiza oxidação por gases

a alta temperatura, introduzidos sobre o ferro fundido, juntamente com o minério de

ferro e sucata, nas proporções de 65-80% e 20%, mais calcário (Isenmann, 2013).

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Neste mesmo processo, ao invés de usar gases, pode-se usar energia

elétrica, sendo o método conhecido como Forno a Arco Elétrico (FEA) (Figura 6).

Neste processo, atingem-se temperaturas de, aproximadamente, 3500ºC em torno

dos eletrodos, tornando a mistura (ferro gusa, sucata, minério de ferro, ligas

desoxidantes e cal) líquida e, então, acertando o teor de carbono. O processo é

muito utilizado para produção de aços inoxidáveis e especiais (Isenmann, 2013).

Figura 6. Convertedores dos processos oxidativos do aço de A.F.


Ao término da redução do teor de carbono, o metal líquido é entornado em

uma conformação retangular, sendo seguidamente resfriado e transportado para o

lingotamento, onde o aço sai em forma de barra (Isenmann, 2013).

O procedimento até aqui descrito sobre a produção de aço inoxidável é

referente a usinas integradas e semi-integradas.

O processo de obtenção do aço inox apresenta um grande desafio, a redução

do teor de carbono por oxidação na presença de cromo (Cr). Sendo o Cr, um

elemento altamente reativo, tem como possibilidade se ligar ao oxigênio (O) e

incorporar-se a escória. Tal fenômeno reduz a eficiência do processo (Oliveira,

2009).

Por este processo possuir teor elevado de Cr, a produção de aços inoxidáveis

é governada pela reação de equilíbrio termodinâmico das reações entre carbono,

oxigênio e cromo (Silva, 2006).

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A equação do cromo pode ser descrita como:

2Cr + 3CO → Cr2O3 + 3C (6)

Admitindo a presença de Cr2O3 puro ou escória saturada neste óxido e suas

condições de equilíbrio são demonstradas no gráfico da Figura 7 (Silva, 2006).

As linhas no gráfico (Figura 7) indicam as condições de equilíbrio em uma

dada pressão (P) e temperatura (T). A partir dos dados de P e T, o lado esquerdo da

curva indica condições onde o cromo é oxidado, não sendo possível reduzir o teor

de carbono no processo sem que ocorra sua perda. Já o lado direito, mostra as

condições onde se reduz o carbono sem perder cromo para a escória (Silva, 2006).

Figura 7. Condições de equilíbrio da reação do cromo.

Fonte: Silva, 2006.

Usinas de aço inoxidável

Estes aços podem ser produzidos em usinas integradas e/ou semi-integradas.

A primeira se constitui da operação de três etapas básicas: redução, laminação e

refino. Já a segunda, apenas duas etapas: refino e laminação (Oliveira, 2009).

Usinas integradas

Estas siderúrgicas usam alto-forno para reduzir o minério de ferro

(sínter/pelotas), e na aciaria incrementam as outras matérias primas: os fundentes,

elementos de liga (níquel, cromo, outros) e o carvão (mineral ou vegetal),

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dependendo do aço inoxidável que se deseja produzir (Adamian, 2009; Oliveira,

2009). Sendo assim, são usinas que possuem todo o ciclo de produção de aço,

incluindo a redução, o refino e a laminação (Mosckem, 2010).

Como exemplo, pode-se citar a Aperam South America, com o processo de

fabricação (Figura 8) tendo como operações a redução do minério de ferro, com

carvão vegetal e coque, em seus dois altos-fornos e minério de cromo no FEA

(Aperam, 2014).

Figura 8. Fluxo de produção da Aperam South America.

Fonte: Aperam, 2014.

Usinas semi-integradas

O processo de obtenção de aço inoxidável nestas indústrias tem seu início em

fornos elétricos a arco (FEA), onde se realiza a fusão dos variados ferro liga (níquel,

cromo e outros) e da sucata de aço inoxidável. O processo acontece por meio do

calor produzido pelo arco elétrico entre os eletrodos do FEA. Ao fim do processo, o

aço inox se deposita no fundo do reator, sendo vazado para um segundo reator. Isso

ocorre em consequência do FEA não ser um bom reator para reduzir o teor de

carbono do banho para valores aceitáveis (Silva, 2006).

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Para a redução do teor de carbono, em usinas semi-integradas pode-se usar

dois métodos: o VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) e AOD (Argon Oxygen

Decarburization). Estes processos são econômicos, uma vez que o processo tem

duração e temperatura inferior ao do reator FEA. Em favorecimento o uso do VOD

ou AOD aumenta a disponibilidade do FEA para fusão de sucata e o ajuste da

composição final da liga que está sendo produzida (Pretorius, 2002).

PRODUÇÃO DE AÇOS INOXIDÁVEIS

Produção no Brasil O processo de obtenção de aço inox no Brasil vem se expandindo desde

1950, com taxas anuais em torno de 6% (BNDES). O gráfico visualizado na Figura 9

demonstra a evolução da obtenção de aços longos (cantoneiras, barras redondas,

chatas, outros) e aços planos (chapas finas, placas, outros) no período

compreendido entre 2000 a 2008.

Figura 9. Evolução da produção brasileira.

Fonte: ABINOX (2014).

Como é observado no gráfico houve uma queda da produção entre os anos

de 2005 a 2006, sendo justificado pelo aumento do preço do níquel. Já em 2007,

ocorreu a normalização do preço do níquel e por fim o aumento da produção

(Oliveira, 2009).

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Conforme a ISSF (Internacional Stainless Steel Forum), a entidade mundial

dos fabricantes de aço inox, o primeiro semestre de 2008 teve uma redução de 1,8%

na produção de aço (BNDES).

Já em 2007, a indústria de inox movimentou cerca de U$ 3,5 bilhões no

Brasil, um aumento de aproximadamente 12,5% no consumo (BNDES).

Analisando um período mais recente, a produção brasileira em 2012 teve um

recuo de 2% em relação ao ano de 2011, como pode ser observado no gráfico da

Figura 10. Ainda assim, o Brasil se manteve como o nono produtor de aço (Romano,

2013).

Figura 10. Evolução da produção brasileira.

Fonte: Adaptado de Romano 2013.

No período compreendido entre 2004 a 2012, a produção no Brasil ficou

estática entre 33 e 35 milhões de toneladas/ano e a participação brasileira no

mercado mundial de aço declinou de 3% para 2,2%. No mesmo período, as

siderúrgicas priorizaram os investimentos na verticalização, que consiste na

produção do próprio minério de ferro (Romano, 2013).

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Produção Mundial Na década compreendida entre 1998-2008, a produção mundial do aço inox

foi de 15 milhões para 25 milhões de toneladas, apresentando um crescimento

médio de aproximadamente 6% ao ano. Os principais países produtores foram: a

China, União Européia, Japão, USA, Índia, Coréia, Taiwan, Tailândia, Brasil e

Canadá (Oliveira, 2009).

Na Tabela 1 é indicada a evolução da produção mundial na década

compreendida no período de 2000-2008.

Tabela 1 – Produção mundial de aço inox (tx1000).

Ano 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Produção 19706 19048 20772 22701 24613 24336 28575 28496 26501

Fonte: Adaptado de Oliveira, 2009.

Como é visível, no ano de 2008, a demanda de aço inox foi atingida pelo

excesso de produção, causando o acúmulo de produto final, de modo que, as

indústrias foram obrigadas a frear a produção para reduzir o estoque o máximo

possível. Algumas empresas decidiram por uma redução na produção nos últimos

meses do ano, e em alguns lugares desativaram unidades. Nesta data as empresas

anunciaram uma redução de 20 a 40% nos pedidos, enquanto que os cortes de

produção atingiu aproximadamente 35 a 50% (Oliveira, 2009). Analisando-se uma

época mais atual, tem-se o gráfico demonstrado na Figura 11.

Figura 11. Evolução da produção mundial.

Fonte: Adaptado de Romano 2013.

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Perante a análise destes dados é possível ver que houve um aumento de 2%

na produção em 2012 em relação a 2011. Já tomando o período de 2007-2012 o

crescimento foi de 15% (Romano, 2013).

Segundo Sicetel (2013), a capacidade atual atenderia a demanda global por 5

anos, considerando as taxas de crescimento dos últimos anos. Outro ponto seria um

aumento maior da oferta em relação à demanda nos anos seguintes, mantendo os

preços baixos do aço (Romano, 2013).

Inovação no processo de produção de aço inoxidável

A partir do consumo elevado de aço inoxidável pelas indústrias e sociedade, o

setor industrial vem voltando suas pesquisas para o aprimoramento e criação de

novas técnicas para a produção do mesmo (Oliveira, 2009).

Com o advento da produção de argônio e O2 em escala industrial, o processo

de produção de aço inox, que se baseava na fusão, redução e acerto da composição

em um único forno, passou a ser realizada de forma diferenciada, sendo fundida no

FEA e o refino, a vácuo ou sopro combinado (Araújo, 1997). De acordo com Araújo

(1997), para o refino foram desenvolvidos os métodos já mencionados do AOD

(Argon Oxygen Decarburization) e VOD (Vacuum Oxygen Decarburization), os quais

servem para reduzir o teor de carbono no aço.

Outra metodologia aprimorada é a utilização de software (ferramenta

termodinâmica computacional) durante o processo de refino para controlar o cromo

(Cr). Em relação a equipamentos tem-se a produção de aço inoxidável dúplex em

moinho planetário (Oliveira, 2009).

Batista (2009) afirma que o gás de alto-forno pode ser utilizado como energia

para o processo, como já mencionado. Além disso, pode ser direcionado para a

produção de energia elétrica em usinas termoelétricas. Para o uso energético, o

material particulado expelido juntamente com o gás dever ser eliminado por

desempoeiramento via úmida ou seca (Jacomino et al., 2002a; Malard, 2009).

Para reutilização ou reciclagem dos resíduos sólidos produzidos durante este

processo industrial, foram desenvolvidos métodos tecnológicos alternativos de

aproveitamento, tais como: uso da escória de alto-forno para pavimentação de

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estradas, em usinas cimenteira e agrícola (Castro et al., 2002; Almeida, 2001; Souza

et al., 2006).

Em relação a matérias-primas descartadas pelo homem, Ogaki et al. (2001),

afirmam poder ser utilizado o resíduo plástico sólido ou em filmes. No mesmo setor,

Araújo (1997), realizou testes em pneus sucateados (descartados/inservíveis),

demonstrando uma boa viabilidade como combustor em A.F.

CARACTERÍSTICAS DO AÇO INOXIDÁVEL COLORIDO

Aços Inoxidáveis

O emprego dos aços inoxidáveis têm crescido consideravelmente nos últimos

anos e são cada vez mais utilizados na arquitetura para revestimentos internos e

externos. Sua grande utilização está relacionada à sua resistência mecânica e à

corrosão. Tendo-se em vista estas propriedades importantes para materiais e o

crescente desenvolvimento de acabamentos mecânicos e industriais, suas

possibilidades de aplicações aumentam cada vez mais com a geração de novas

tecnologias.

Uma das características mais importantes observadas do aço inoxidável é a

sua resistência à corrosão, que está relacionada à presença de cromo em

quantidades geralmente acima de 10,5% em peso. Esta característica de resistência

é devido ao fato de que o cromo consegue produzir uma camada muito fina de óxido

ou filme passivante que se deposita firmemente à superfície do aço, dificultando o

processo de oxidação (Krauss, 1990).

Algumas investigações feitas recentemente abordam que os filmes passivos

que são formados na superfície dos aços inoxidáveis apresentam propriedades

semicondutoras em uma estrutura duplex. A camada formada apresenta uma

película externa geralmente mais porosa de hidróxidos e uma interna mais

compactada de óxidos de cromo. Alguns modelos desenvolvidos que abordam o

comportamento frente à corrosão são baseados na estrutura eletrônica apresentada,

onde, segundo esses modelos, a resistência à corrosão poderia estar relacionada à

presença dos óxidos de cromo na camada interior (Montemor et al.,2000).

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Segundo (Montemor et al., 2000), alguns fatores importantes devem ser

considerados ao se desenvolver aços inoxidáveis, como, por exemplo, a resistência

à corrosão a oxidação em ambientes de operação, as propriedades físicas e

mecânicas e também características induzidas na fabricação decorrente de

trabalhos a quente e a frio.

Os aços inoxidáveis podem ser divididos em diferentes classes baseando-se

nas fases que prevalecem em sua microestrutura, sendo martensita, ferrita e

austenita.

Engenharia de Superfícies

A engenharia de superfícies está relacionada ao desenvolvimento e aplicação

de processos a um determinado material ou componente onde, através da

tecnologia utilizada, conseguem-se propriedades desejadas por meio do controle

das características superficiais do material, fazendo-se sistemas conjugados de um

metal e um recobrimento (Silva, 2012).

Muitos fatores podem influenciar negativamente no desempenho dos

recobrimentos, como a rugosidade e a porosidade do filme, como também sua

adesão à superfície do substrato. Esses fatores podem estar relacionados ao filme,

à interface ou ao substrato. Sendo assim, torna-se bastante complexo afirmar qual é

o melhor recobrimento para uma determinada aplicação industrial (Rickerby, 1991).

Na figura a seguir se observa os fatores que estão relacionados a cada parte de um

material.

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Figura 12 - Propriedades e características do sistema conjugado

substrato/recobrimento.

Fonte: Rickerby, 1991.

Aços Inoxidáveis Coloridos

A busca por materiais mais resistentes e que apresentam um efeito estético

melhor fez com que surgissem novos investimentos em aços inoxidáveis coloridos

como revestimentos externos e internos na arquitetura e na engenharia,

proporcionando maior segurança quanto à resistência mecânica e corrosão, além de

melhorar a estética do ambiente.

Os fenômenos de interferência luminosa possuem papel importante na

percepção das cores em aços inoxidáveis coloridos, onde há uma interação da luz

ambiente com uma película de óxidos que reveste a superfície dos aços inoxidáveis

coloridos. A figura a seguir mostra como ocorre o aparecimento das cores. Observa-

se através do esquema que a luz presente no ambiente incide na superfície do filme

e parte dela sofre refração para o interior do filme e a outra parte sofre reflexão. A

distância percorrida pela luz dentro do filme de óxido pode provocar uma diferença

entre as ondas. Desta forma, os diferentes comprimentos de onda presentes na luz

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visível podem sofrer interferências em diferentes intensidades, fazendo com que

haja a possibilidade de haver a predominância de um determinado comprimento de

onda, que será responsável por uma cor específica (Junqueira, 2004). A cor

resultante dessa incidência de luz dependerá tanto da espessura do filme utilizado

na superfície do aço quanto do ângulo de observação.

Figura 13 - Raios refletidos na superfície do filme e na interface

substrato/filme dos aços coloridos.

Fonte: Duarte, 2010.

Tratamentos Superficiais de Aços Inoxidáveis

O estado inicial da superfície da chapa de aço inoxidável é extremamente

importante para se ter uma boa qualidade de coloração. Quanto mais polida for a

região, mais homogênea será a coloração obtida (Andrade, 2005). Geralmente

polimentos eletroquímicos são utilizados para nivelar a superfície de uma chapa de

aço inoxidável, pois, fazendo-se isto, aumenta-se a sua refletividade e melhora sua

aparência, além de reduzir o coeficiente de atrito e aumentar a resistência à

corrosão em quatro ou até cinco vezes (Marellato, 1973).

Um dos parâmetros mais considerados pelas indústrias de semicondutores e

biomédicas é a questão da melhoria da resistência à corrosão dos aços inoxidáveis

através do polimento eletroquímico, onde requerem superfícies muito planas e

resistentes à corrosão, atendendo aos altos níveis de limpeza e planicidade da

superfície exigidas (Lee et al., 2003).

- 21 -


Alguns métodos são utilizados para o crescimento de filmes coloridos por

interferência, como, por exemplo, através da oxidação térmica, química e

eletroquímica.

O método de oxidação térmica utiliza atmosfera controlada e é realizado em

recipiente fechado usando-se uma corrente gasosa, onde o gás pode ser o argônio,

o hélio ou hidrogênio. Geralmente a temperatura utilizada deve variar entre 500 e

900 ºC. As cores obtidas por este método não são muito intensas quando

comparadas com as obtidas pelo método da oxidação química (Junqueira, 2004).

O método de oxidação química é baseado em um tratamento onde o aço

inoxidável é mergulhado em uma solução concentrada de ácido crômico (H2CrO4)

2,5 mol/L e ácido sulfúrico (H2SO4) 5,0 mol/L, em que a temperatura da solução é

mantida em torno de 80 a 85°C e, em seguida, é preciso um tratamento catódico que

proporciona um endurecimento do filme. Neste processo ocorre a formação de

filmes de óxidos interferentes que apresentam diferentes cores, dependendo do

tempo de imersão e da concentração da solução (Junqueira, 2004).

O método de oxidação eletroquímica, um dos mais conhecidos para a

coloração de aços inoxidáveis, utiliza um processo de pulsos alternados de potencial

em temperaturas que variam entre 30 e 50°C (Fujimoto, 1993). Este processo,

proposto por Ogura (1994), é baseado numa coloração através de uma solução de

ácido crômico e ácido sulfúrico, onde os pulsos são usados de maneira que os

potenciais E1 e E2 correspondam àqueles presentes na região passiva e do início

da região transpassiva, respectivamente.

Um dos métodos também utilizados para coloração de aços inoxidáveis é o

processo que utiliza pulsos alternados de corrente, que se baseia na imersão de

amostras de aço inoxidável em solução de ácido crômico e ácido sulfúrico a uma

temperatura em torno de 60 a 80 ºC, aplicando densidades de corrente anódica de

0,2 mA/dm2 por 6 segundos e catódica de -0,6 mA/dm2 por 2 segundos. A cor

resultante dependerá do tempo de eletrólise, onde os melhores resultados para o

colorímento são apresentados para 80 ºC (Wang e Duh, 1995).

Outro processo conhecido, proposto por Ogura (1996), é o de varredura

triangular de corrente a temperatura ambiente. Nesse processo, durante a etapa

anódica de varredura, ocorre um aumento de corrente até atingir um valor máximo

(Imax), na região transpassiva, local onde ocorre a dissolução do aço inoxidável

- 22 -


apresentando liberação de íons. Cr6+ no eletrólito. Esta corrente, então, diminui e

chega a valores catódicos até atingir uma corrente mínima (Imin). Nessa etapa há

uma redução onde os íons Cr6+ da solução passam a íons Cr3+, que se depositam

novamente na superfície do material. Esse processo proposto possui a vantagem de

ser realizado em temperatura ambiente, proporcionando uma diminuição na

eliminação de poluentes.

Testes foram feitos para se comprovar os benefícios do aço inoxidável

colorido quanto à corrosão. Aços inoxidáveis ABNT 304 antes e após colorimento

por processo eletroquímico de corrente pulsada foram expostos a diferentes

ambientes, como atmosfera marinha e urbana por períodos de um e três anos,

respectivamente. Quatro tipos de amostras foram testados, possuindo acabamento

mecânico antes e depois do colorimento até se obter cor de bronze e com

acabamento brilhante antes e após o colorimento, até se obter a cor verde.

Observaram-se parâmetros como o aparecimento de manchas e pites, como

também alterações de cor e brilho. No ambiente urbano não se observou alterações

de aparência. Já na atmosfera marinha ocorreu o aparecimento de manchas e pites

superficiais após seis meses de exposição nas amostras sem coloração, tornando-

se mais severas com o tempo. Nas amostras coloridas houve aparecimento de pites

e manchas, porém com um ano de exposição e em menor proporção quando

comparado às amostras sem coloração. Sendo assim, observa-se que os filmes de

coloração adicionados à superfície do aço inoxidável aumentam a proteção do aço

frente à corrosão dos agentes atmosféricos (Junqueira, 2004).

Um novo método de coloração, através de laser UV tem sido utilizado para

tratamentos superficiais de aço. Segundo Li et al (2009), as cores podem ser obtidas

através da variação de potência do laser, do plano focal e da direção de varredura,

como indicado na Figura 14 a seguir.

- 23 -


Figura 14 - Cores obtidas com laser em aço inoxidável em vários parâmetros de

processamento.

Fonte: Li, 2009.

AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO AÇO INOXIDÁVEL COLORIDO

Para efeitos de qualidade, ou seja, para se conhecer o desempenho de

materiais revestidos é preciso avaliar sua resistência ao desgaste e o

comportamento da resistência à corrosão. Para os aços inoxidáveis coloridos, onde

a cor é o centro das atenções, é essencial que se tenha uma forma quantitativa da

mesma, para que se tenha uma reprodutibilidade adequada das diferentes cores

(Junqueira, 1998).

Resistência ao Desgaste por Abrasão

O fenômeno de desgaste é caracterizado por um deslocamento de material

ocasionado pela presença de algumas partículas duras que podem estar localizadas

embutidas entre as superfícies em movimento relativo (Dias, 2003). O desgaste

pode ser entendido como um dano causado à superfície sólida de um material,

causando perda progressiva do mesmo devido ao movimento entre aquela

superfície e um ou mais corpos quando estão em contato (ASTM – American Society

for Testing and Materials – 2001).

- 24 -


Este processo pode ser observado nos metais através de diversas formas:

pelo contato direto com outros metais e sólidos não metálicos, líquidos em

movimento, partículas sólidas ou ainda partículas sólidas ou de líquido transportadas

em um fluxo gasoso. Segundo (Ribeiro, 2004), o desgaste por abrasão é conhecido

como um dano ao material em questão com perda progressiva do mesmo através da

movimentação relativa entre a superfície e um ou vários tipos de materiais.

A resistência à abrasão de um revestimento tem papel fundamental no

desempenho do produto, é um fator importante relacionado à sua durabilidade, além

de estar relacionado a propriedades mecânicas como dureza, módulo de

elasticidade e resistência a riscos. Para aços com tratamentos superficiais (aços

coloridos), é de extrema importância considerar a ação de esforços mecânicos

decorrentes do manuseio constante do produto que possam, com o tempo, afetar

aparência das superfícies coloridas (Junqueira et al., 1998).

Junqueira (2006 – 2009) utilizaram testes para avaliar o desgaste à abrasão.

Em um de seus testes, usou-se um sistema para avaliar a resistência de amostras

de aço inoxidável coloridas em dourado com diferentes níveis de porosidade. Isso foi

feito usando-se uma máquina de resistência ao desgaste por abrasão, onde o

ensaio consistiu no desgaste do filme de interferência, onde, pressionando-se a

superfície da amostra contra uma roda revestida por uma tira de papel abrasivo de

H2CrO4 de 0,5μm em ciclos realizados por movimentos de ida e volta, com uma

carga constante de 30N. A conclusão obtida com este estudo é de que a morfologia

dos sistemas revestidos influencia as suas propriedades mecânicas. Os filmes mais

espessos, como o verde e o dourado, possuem maior resistência ao desgaste se

comparado com os mais finos, como o marrom e o azul. Os filmes mais porosos

apresentaram menor resistência ao desgaste do que os menos porosos. No estudo

realizado por esses pesquisadores observou-se o papel importante do tratamento

térmico, onde após as amostras serem tratadas a 150°C por até 256 horas,

indicaram o aumento da resistência, como apresentado na figura a seguir.

- 25 -


Figura 15 – Resistência ao desgaste de chapa industrial de aço inoxidável

colorida em dourado aquecida a 150°C por 2, 4, 16, 64 e 256 horas.

Fonte: Junqueira, 2009.

Resistência à Corrosão

Um dos fatores que influenciam enormemente a corrosão do material é seu

acabamento superficial. Os materiais que apresentam superfícies com baixa

rugosidade terão um efeito mais favorável com relação à resistência à corrosão. Um

mesmo aço inoxidável, quando exposto ao mesmo ambiente, pode se comportar de

diferentes maneiras dependendo do seu acabamento. Os aços lixados, ou seja, os

que apresentam menor rugosidade são aqueles mais resistentes à corrosão,

principalmente quando se leva em consideração a corrosão por pites (Ashby &

Johnson, 2011).

Diferentes metodologias podem ser usadas para estudar a resistência à

corrosão, tais como ensaios de exposição atmosférica acelerada e não acelerada,

curvas de polarização potenciodinâmica, espectroscopia de impedância

eletroquímica, ensaios de perda de massa (métodos gravimétricos), imersão em

soluções de cloretos, entre outros.

- 26 -


Considerações Finais

Este artigo apresentou uma visão geral da produção do aço, dando ênfase

metodologias que permitam melhorar as propriedades dos materiais e que têm

causado interesse no desenvolvimento de rotas alternativas de produção industrial.

Dando destaque aos aços coloridos, mostrando o cenário atual em termos de Brasil,

bem como, as perspectivas de ampliação desta tecnologia.

Abstract: This paper presents the constant concerns about new ways of obtaining energy, effective methods to minimize environmental impacts and methodologies to improve the properties of materials, have caused interest in the development of alternative routes of industrial production. It has as a purpose a bibliographical review on the Austenitic Stainless Steel (25% Cr, 15% Ni) Colored Steel Industry. The coloring of the steel is accomplished through the application of Q-switched third-harmonic Nd: YVO4 laser. Keywords: Steel, colored stainless steel, steel industry

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Publicado na Revista Vozes dos Vales - www.ufvjm.edu.br/vozes em: 05/2017

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em diversas áreas do conhecimento.



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