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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO 1 2006Metais e ligas metálicas Joana de Sousa Coutinho

estuda

estuda

Constituição

Estrutura

Propriedades

Processos de fabrico

Tratamentos posteriores

Alterações das propriedades dos metais causadas por tratamentos

Metalurgia do ferro Metalurgia do ferro SIDERURGIASIDERURGIA sideros(ferrosideros(ferro)+ergo (trabalho))+ergo (trabalho)

Produtos siderúrgicos

Ligas de alumLigas de alumíínionio

Ligas de cobreLigas de cobre

MetalurgiaMetalurgia ciência dos metais e ligas metciência dos metais e ligas metáálicaslicas

Fe e Fe e

ligas de Feligas de Fe

gusa aço ...

2


Liga de Fe + <<<%C

AÇ

O

Produtos siderúrgicos Fe e Fe e

ligas de Feligas de Fe

gusa aço ...

0,2% ±1,5%% C

determina as determina as propriedades propriedades do ado aççoo

PRODUPRODUÇÇÃO DO FERROÃO DO FERROUtilização desde a Pré-história Egipto, Egipto,

Mesopotâmia; GrMesopotâmia; Gréécia; cia; Roma;...Roma;...Armas e utensílios

2

3


C C ++ OO22 do ar do ar COCO2 2 COCO

FeOFeO + CO+ CO Fe + COFe + CO22

Ao longo dos tempos a principal fonte de Fe foi o minério de ferro em geral os óxidos, por ex.:

hematite Fe2O3 50-60%magnetite Fe3O4 45-70%

A técnica de “separar” o Fe tem sido por redução pelo CO

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1. No inícioREDUREDUÇÇÃO DIRECTAÃO DIRECTA

PRO

DU

PRO

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DO

FER

RO

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O D

O F

ERR

O RE

DU

RED

U ÇÇ

ÃO

DIR

ECTA

ÃO

DIR

ECTA

fundido em fogueiras

Mais tarde FORNOS RUDIMENTARES a carvãoFORNOS RUDIMENTARES a carvão

3

5


Mais tarde FORNOS RUDIMENTARES a carvãoFORNOS RUDIMENTARES a carvão

Forno tipo

poço fechado

TTfusãofusão (Fe puro) = 1536(Fe puro) = 1536ººCCMinMinéérios de Fe rios de Fe essencialmenteessencialmente óóxidos de Fexidos de Fe

C C + + OO22 do ardo ar COCO2 2 COCO

PRO

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ÃO

DIR

ECTA

6


CO CO reduz reduz (retira; separa) o oxig(retira; separa) o oxigéénio nio do mindo minéério formandorio formando--sese COCO22

FeOFeO + CO+ CO Fe + COFe + CO22

PRO

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ÃO

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ECTA

ÃO

DIR

ECTA

Na REDUNa REDUÇÇÃO DIRECTAÃO DIRECTA•Produto pastoso

•Muitas impurezas•Produto maleável retirado do fundo do forno com vara metálica

•Posterior martelamento para retirar impurezas (expulsar escórias)

FERRO PUDELADO

•Metal não se liquefaz T insuficiente

C C + + OO22 do ardo ar COCO2 2 COCO

4

7


SSééculo XVIIIculo XVIII Forja catalãPR

OD

UPR

OD

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O D

O F

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O

ÃO

DO

FER

RO

RED

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ÇÃ

O D

IREC

TAÃ

O D

IREC

TA

• Posterior martelamento para retirar impurezas

• cuba com minério + combustível

mtº rico em Fe carvão

• fole para insuflar ar (oxigénio)• Produto pastoso

• Muitas impurezas

• Produto maleável retirado do fundo do forno

• Metal não se liquefaz T insuficientec

FERRO PUDELADO

DIFERENÇA para

o forno fechado:

Fe “absorve” algum CC podendo obter-se

FERRO MACIO (<< % C C ) ou

AÇO (>> % C C )

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Entretanto percebeu-se que:

PRO

DU

PRO

DU Ç

Ç ÃO

DO

FER

RO

ÃO

DO

FER

RO Se produto final

resfriado RAPIDAMENTE em água

+ duro

Proc

esso

em

pPr

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mp íí

rico

rico

dedeTÊ

MPE

RA

TÊM

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A

Forno de REVERBERO

Fe “absorve” algum CC podendo obter-se

FERRO MACIO (<< % C C ) ou

AÇO (>> % C C )

Forja catalã

a partir FERRO MACIO(<< % C C )

AÇO (>> % C C ) CEM

ENC

EMEN

TATAÇÇ

ÃOÃO

Ferro macio envolvido em carvão

5

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FERRO MACIO +carvão vegetal

em pó

Forno de REVERBEROFERRO MACIO (<< % C C )

CEM

ENTA

CEM

ENTA

ÇÇÃ

OÃO

PRO

DU

PRO

DU Ç

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DO

FER

RO

ÃO

DO

FER

RO

+CC

15 dias

arrefecimentoarrefecimento8 dias

AÇ

O• ligação Fe + C não uniforme• rebatimento necessário• nova fusão até homogeneização

AÇO (>> % C C )

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PRO

DU

PRO

DU Ç

Ç ÃO

DO

FER

RO

ÃO

DO

FER

RO

Alto FornoAlto FornoAlto FornoForno cuba ou forno chaminéEuropa Central (fornos primitivos cada vez mais alto)ar insuflado pela parte inferiorferro fundido (canhões...)...1619 Inglaterra uso de coque pela 1ª vez±1800aquecimento prévio do arvários aperfeiçoamentos

evolução

Alto Forno

6

11


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PRO

DU

PRO

DU Ç

Ç ÃO

DO

FER

RO

ÃO

DO

FER

RO

Alto FornoSeixal até há pouco tempoForno de grande altura

gusa (liga Fe+C)

3 a 4,5%C

Minério de Fe

Reacções no forno

• redução dos óxidos de Fe por acção do COCO

• ligação do Fe com C C origina gusaÓÓxidos Fe xidos Fe FeFe

Fe + C gusaFe + C gusaAFINAÇÃO na aciaria gusa aço

• combustão do carvão COCOCC

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Matérias primas

gusa

Alto Forno1. minérios de ferro

2. carvão3. fundente

hematite Fe2O3 50-60%magnetite Fe3O4 45-70%limonite 2Fe2O3.nH2O20-60%

+ usado; + fácil redução

+rico em Fe; - abundante

siderite FeCO3 30-42%(pirite) FeS +usado como minério de S; + dispendioso retirar Fe

24 1 2 3 7 6 5 4 8 9 10 11 12 13 1 21 23 14 15 16 17 18 19 20 22 24

+30

+30

+30

Robinson Projection

14

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17

19

19 21

1996 MAGELLAN GeographixSMSanta Barbara, CA 805 685-3100

Brasil

Alemanha

Grã- Bretanha

Moncorvo e Moncorvo e CercalCercal

>> impurezas

s/ interesse económico

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gusa

Boca ou goela •com tremonha

Cuba

• tronco-cónico

• pode ser > 20m

• rev.to tijolos refractários

• + espesso na zona inferior

• diminuindo até á boca

Ventre

• zona + quente

• tronco-cónica; Ømax ~ 10mh pode ser > 4m

• rev.to refractário c/ placas metálicas c/ circulação de água

• + espesso na zona inferior

• diminuindo até á boca

Cadinho

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gusa

Boca ou goela

Cuba

Ventre

Cadinho

•recebe o metal e escória em fusão• cilindrico; Ø~10m, h~4m

• chapa espessa de aço

• Revest.to interno

• Entre a chapa e o Revest.to interno

CAIXAS de arrefecimento(placas rectangulares de Fe fundido com tubos de água de arrefecimento)

• parte SUPERIOR TUBEIRAS de ventoTUBEIRAS de vento(insuflação de ar pré-aquecido)

•parte INFERIOR

furo (2) saída escescóória em fusãoria em fusão± 2m da base

furo safuro saíída de gusada de gusa (fechado; só aberto cada 3 a 4h)± 1m da base

Blocos refractários(silico-aluminosos)ouBlocos de carbono

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9

20


21


10

Flux

o de

mat

éria

s pr

imas

minérios de ferro

carvão

fundente

Preparação das matérias prim

as

24


Reacções no forno

AFINAÇÃO na aciaria gusa aço

gusa

combustão do carvão com formação de monóxido de carbono

COCO

redução dos óxidos de Fe por acção do monóxido de carbono (eltºredutor)

ÓÓxidos Fe xidos Fe FeFeCO +CO +

carbonatação do Feligação do Fe com C C origina gusa

Fe + C gusaFe + C gusa

Acção do fundentedecomposição do CaCO3

Formação de escória resultante da combinação do óxido de cálcio ( calcário) com a ganga do minério e cinzas do carvão

± 800ºC

11

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Depois da saída do fornoMinério + coque + fundente

escória

gusagusa

± 11m3

Panelas de escória

Lingoteiras

Ferro fundido

calhascalhas

várias sangrias

misturadora

AfinaAfinaççãoão((AciariaAciaria))

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escória± 11m3

Panelas de escória

estado amorfo (>66%)arrefecimento rápido

Arrefecimento brusco em tanques

1. Lançamento em tanques de água

1500ºC Tamb

granulado

2. Peletização: a escória fundida é expandida por injecção de água, cai sobre a roda dentada que a projecta em partículas arrefecidas por jactos de água

escescóóriaria

12

29


escória de alto forno S

SiO2 ~ 30%

Al2O3 10 a 22%

CaO e MgO ~ 45%

FeO e MnO ~ 1 a 30%

+

ZnO

PbO2

S

impurezas

•SUB-PRODUTO da indústria do ferro fundido

•1 ton Fe 300kg escória

•mistura de CaO + SiO2+ Al2O3+ MgOproporções ≠ cimento portland

•Escória MUITAS aplicações

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•agregados para betão ou estradas

•agregados leves para betão (escórias expandidas)

•lã de escória para isolamentos térmicos

•indústria do cimento substitui parcialmente o cimento P ou usado como Adição (durabilidade)

Na legislação actual (NP EN

197) escória de alto forno S

aplicaçõesescescóóriaria

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33


ACTIVAÇÃO soda ou potassa caustica (álcalis), cal, silicato de sódio ou mesmo cimento

silicatos e aluminatos de cálcio hidratadosh. muito lenta

norm

aliz

ano

rmal

iza çç

ãoão

Como Substituto parcial do cimento NP EN 197-1

S ≤ 5% em qualquer cimento

6 ≤ S ≤ 35% se só K (clinquer) CEM II/A-S; CEM II/B-S

36 ≤ S ≤ 95% se só K (clinquer) CEM III/A; CEM III/B; CEM III/C

c. Portland de escória

Como Adição LNEC E 375 Escória granulada de alto forno moída para betões. Características e verificação de conformidade (1993)

c. de alto forno

Tipo II•adições hidráulicas latentes

escória de alto forno

•adições com propriedades pozolânicas

escória de alto forno SCaO+ SiO2+Al2O3+MgO

• indústria do cimento substitui parcialmente o cimentoou usado como Adição (durabilidade) escescóóriaria

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minérios de ferro

carvão

fundente

EscEscóória ria

(~300Kg/t gusa)(~300Kg/t gusa)

(Fe) gusa (Fe) gusa Ferro fundidoFerro fundido

gasesgases • combustcombustíível industrialvel industrial(até 2800 m3/t gusa líquida) (tem CO e H2)

subp

rodu

tos

subp

rodu

tos

• partpartíículas sculas sóólidaslidasreutilizadas reutilizadas na instalação de sinterização

CO 17-25%

H2 1-4 %

CH4 0,5%

CO2 15-20%

N 54,5-59,5%

Alto Forno

Fe 94Fe 94--95% 95% 33--4,5%C4,5%C

0,30,3--0,7% Si0,7% Si0,20,2--0,8 Mn0,8 Mn<0,08% P<0,08% P<0,08% S<0,08% S

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