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Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e Matemática
Nelson Martins Vimieiro
ENSINO DE FÍSICA TÉRMICA A PARTIR DO ESTUDO DO ALTO-FORNO
Belo Horizonte
2013
Nelson Martins Vimieiro
ENSINO DE FÍSICA TÉRMICA A PARTIR DO ESTUDO DO ALTO-FORNO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós
Graduação em Ensino da Pontifícia
Universidade Católica de Minas Gerais, como
requisito parcial à obtenção do título de
Mestre em Ensino de Ciências e Matemática.
Área de concentração: Ensino de Física
Orientadora: Profª. Dra. Yassuko Hosoume
Belo Horizonte/MG 2013
DEDICATÓRIA
À minha querida esposa Meirilene e também aos meus amados filhos
Samuel e Davi
AGRADECIMENTOS
Primeiramente e excepcionalmente a Deus. Mas também a todos que
de maneira direta ou indireta contribuíram para este trabalho, em particular:
• Ao meu pai Ronald e minha mãe Lúcia.
• A minha avó Maria da Conceição.
• Aos meus tios: José Fábio, José (in memorian), Alode (in memorian) e
Albenides (in memorian).
• Aos meus irmãos José Ronaldo, Alfredo e Cristina.
• A Profª Drª Yassuko - não vou agradecer aqui em palavras para não limitar o
agradecimento.
• Ao amigo Prof. Dr. José Antônio Pinto
• Ao Engenheiro Metalúrgico Alysson Tadeu Pereira Almeida Costa.
Pois ainda em bem pouco tempo aquele que há de vir
virá, e não tardará. (HEBREUS 10:37)
Bendito o varão que confia no Senhor, e cuja esperança é
o Senhor.
Porque é como a árvore plantada junto às águas, que
estende as suas raízes para o ribeiro, e não receia
quando vem o calor, mas a sua folha fica verde; e no ano
de sequidão não se afadiga, nem deixa de dar fruto.
(JEREMIAS 17:7,8)
RESUMO
Este trabalho tem como produto final uma proposta didática para o ensino dos
conteúdos da Física Térmica, no contexto da compreensão do funcionamento
de um alto-forno siderúrgico. Utilizando como referencial teórico os PCN,
PCN+, CBC e artigos da área, a proposta está estruturada nos três momentos
pedagógicos: problematização inicial, organização do conhecimento e
aplicação do conhecimento. O material pedagógico elaborado é dirigido ao
professor de Física e é constituído de nove atividades. A problematização
inicial é feita por um levantamento do conhecimento do aluno sobre o
funcionamento de uma usina siderúrgica e o seu papel econômico e social,
tanto para o seu entorno quanto para o país. Nesse processo são identificadas
as representações iniciais do alto-forno através de desenhos elaborados pelos
alunos, identificando suas partes principais. Uma confrontação desses
desenhos com um esquema de alto-forno de uma siderurgia leva à
necessidade de compreensão de conceitos das ciências, que vão sendo
explorados no desenvolvimento das atividades. A identificação, das
características específicas de partes do alto-forno associada às condições
térmicas do processo de fabricação do ferro-gusa a partir do minério de ferro,
propicia a compreensão de conteúdos de física térmica como os conceitos de
temperatura, calor e energia térmica, as propriedades como a capacidade
térmica ou calor especifico de materiais, a relação entre temperatura e
mudança de estado físico da matéria e os fenômenos da condução e da
convecção térmica. A aplicação e sua avaliação, em escola pública do ensino
médio, da cidade de Ouro Branco, com participação de uma centena de alunos,
mostraram a viabilidade da proposta elaborada, não somente para regiões em
que há uma siderurgia, como também para a sua utilização em qualquer escola
de ensino médio que tenha como perspectiva uma educação científica
contextualizada.
Palavras chave: Ensino contextualizado, ensino de física térmica, alto-forno,
ensino médio.
ABSTRACT
This work presents a didactic proposal for Thermal Physics teaching through
the understanding of a blast furnace steel operation. Using as theoretical
references the PCN, PCN+, CBC and papers, our proposal is structured in
three pedagogical moments: problematization, knowledge organization and
knowledge application. The educational material produced is directed to
Physics Teachers and consists on nine activities. The initial questioning is done
by a survey about the student's knowledge on the steel mill operation and its
economic and social role, both for its surroundings and for the country. We
identify the blast furnace initial representations through students’ drawings,
underlining their main parts. The comparison about these drawings with a blast
furnace steel scheme requires science concepts understanding that are
explored in the proposed activities. The specific characteristics identification of
the furnace thermal parts linked with the manufacturing process conditions of
pig iron from iron ore provides a thermal physics contents understanding as
temperature, heat and thermal energy contents, thermal capacity material
specific heat proprieties, the temperature and matter state change relationship
and the conduction and convection thermal phenomena. The didactic proposal
was applied at a public high school in the Ouro Branco city to hundred students.
The proposal evaluation showed its feasibility not only for furnace steel
surroundings, but also for any high school that follow a contextualized scientific
education perspective.
Keywords: contextualized teaching, thermal physics teaching, blast furnace
steel, high school teaching.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Desenho de aluno.................................................................. 33 Figura 2 – Desenho de aluno.................................................................. 33 Figura 3 – Desenho de aluno.................................................................. 34 Figura 4 – Vista parcial de Alto-Forno..................................................... 42 Figura 5 – Vista de Alto-Forno................................................................. 42 Figura 6 – Vista de Alto-Forno internamente............................................ 43 Figura 7 – Esquema de operação de Alto Forno..................................... 43 Figura 8 – Partes de Alto-Forno.............................................................. 44 Figura 9 – Esquema de Alto-Forno......................................................... 46 Figura 10 - Exemplos das matérias primas ferrosas. Minério de ferro granulado (in natura) e sinter...................................................................
48
Figura 11 - Coque com granulometria adequada (a),e com excesso de finos (b)....................................................................................................
51
Figura 12 – Esquema de Alto-Forno para o aluno colorir........................ 57 Figura 13 – Divisões de Alto-Forno ......................................................... 59 Figura 14 – Chama da vela....................................................................... 60 Figura 15 – Regiões do Alto-Forno............................................................ 74 Figura 16 - Desenho de AF de um aluno na Atividade 1.......................... 82 Figura 17 - Desenho de AF do mesmo aluno da figura 18 na Atividade 9...............................................................................................................
82
Figura 18 - Desenho de AF de um aluno na Atividade 9.......................... 83 Figura 19 - As diversas temperaturas dos gases no AF.......................... 92 Figura 20 - Regiões de um AF.................................................................. 95 Figura 21 - Zonas no interior de um AF..................................................... 96 Figura 22 - Exemplos das matérias-primas ferrosas. Minério de ferro granulado (in natura) e sinter...................................................................
101
Figura 23 - Coque com granulometria adequada (a), e com excesso de finos (b)....................................................................................................
103
Figura 24 - Equipamentos do topo do AF................................................ 104 Figura 25 - Representação esquemática de diversos tipos de sensores e de equipamentos instalados para monitorar e controlar vários parâmetros durante a operação de um AF...............................................
106 Figura 26 - Regenerador Cowpers com câmara de combustão interna, (a) fase gás e (b) fase vento....................................................................
109
Figura 27 - Esquema do circuito de aquecimento do ar quente injetado no AF para 3 regeneradores....................................................................
110
Figura 28 - Esquema de revestimento refratário de um AF..................... 113 Figura 29- Stave Coller do AF1 da Gerdau Açominas.............................. 115 FIGURA 30- Desenho do Britador........................................................... 133 FIGURA 31- Alto Forno............................................................................ 134 FIGURA 32- Alto Forno............................................................................ 134 Figura 33- Alto Forno ............................................................................... 135 FIGURA 34- Alto Forno............................................................................. 135 FIGURA 35- Alto Forno............................................................................. 136 FIGURA 36- Alto Forno............................................................................. 136 Figura 37- Alto Forno................................................................................. 137 Figura 38- Alto Forno................................................................................ 137 Figura 39- Alto Forno............................................................................... 138 Figura 40- Alto Forno............................................................................... 139
Figura 41- Alto Forno............................................................................... 139 Figura 42- Alto Forno............................................................................... 140 Figura 43- Alto Forno............................................................................... 140 Figura 44- Alto Forno............................................................................... 141 Figura 45- Alto Forno............................................................................... 141 Figura 46- Alto Forno............................................................................... 142 Figura 47- Alto Forno............................................................................... 143 Figura 48- Alto Forno............................................................................... 143 Figura 49- Alto Forno ............................................................................... 144 Figura 50- Alto Forno ............................................................................... 144 Figura 51- Alto Forno ............................................................................... 145 Figura 52- Alto Forno............................................................................... 145 Figura 53- Alto Forno............................................................................... 146 Figura 54- Alto Forno ............................................................................... 147 Figura 55- Alto Forno ............................................................................... 147 Figura 56- Alto Forno ............................................................................... 148 Figura 57- Alto Forno............................................................................... 149 Figura 58- Alto Forno ............................................................................... 149 Figura 59- Alto Forno............................................................................... 150 Figura 60- Alto Forno............................................................................... 153 Figura 61- Alto Forno............................................................................... 153
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Tema 3: Energia Térmica...................................................... 20
TABELA 2 – Condutividade térmica.......................................................... 74
TABELA 3 – Calor específico.................................................................... 80
TABELA 4 – Competências e Habilidades................................................
119
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 – Esquema de atividades da proposta didática..................... 30
QUADRO 2 - Exemplo de questionário..................................................... 31
QUADRO 3 – Comentário sobre diferenças de temperatura.................... 45
QUADRO 4 – Comentário sobre desenho de aluno.................................. 46
QUADRO 5 – Comentário sobre o desenho da entrada de gusa............. 55
QUADRO 6 – Comentário sobre o desenho de gases do AF................... 55
QUADRO 7 – Temperatura e cor.............................................................. 61
QUADRO 8 – Comentário – Visão do aluno de um AF............................. 68
LISTA DE SIGLAS
AF – Alto-Forno
PCN – Parâmetros Curriculares Nacionais
PCN+ - Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros
Curriculares Nacionais
PNLD – Programa Nacional do Livro Didático
CBC – Currículo Básico Comum
LDB – Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional
ENEM – Exame Nacional do Ensino Médio
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................... 12
2. O ENSINO DE FÍSICA NO BRASIL................................................... 14 2.1 Ensino de Física nos PCN+ e no CBC........................................... 16 2.2 Ensino de Física Térmica no contexto da pesquisa.................... 22 2.3 Justificativa do Trabalho de Pesquisa.......................................... 24
3. ENSINO DE FÍSICA E O ESTUDO DO ALTO-FORNO................... 26
4. TEXTO PARA O PROFESSOR: UMA PROPOSTA DE ENSINO DE FÍSICA USANDO ALTO-FORNO... 28
4.1 Atividade nº 1: A usina siderúrgica de nossa cidade.................. 31 4.2 Atividade nº 2 : Conferindo os conhecimentos............................. 34
4.3 Atividade nº 3: O que tem de diferente entre os esquemas?....... 41 4.4 Atividade nº 4: O que entra e sai de um alto-forno?..................... 44
4.5 Atividade nº5 : Temperaturas no interior do alto-forno................ 54
4.6 Atividade nº 6: As transformações do minério de ferro............... 62
4.7 Atividade nº7: As paredes de um alto-forno são especiais?....... 68 4.8 Atividade nº8: Refrigeração a água – que propriedade é essa
da água?..................................................................................................
75
4.9 Atividade nº9: Avaliando o trabalho realizado com os alunos....
78
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS...............................................................
84
REFERÊNCIAS........................................................................................ 87
ANEXOS.................................................................................................................... 90
12
1. INTRODUÇÃO
Desde 1997 leciono Física na cidade de Ouro Branco – MG, uma cidade de
aproximadamente 40 mil habitantes, onde há uma Siderúrgica (Gerdau Açominas)
que exerce um papel muito importante para a região e o país. Pude ao longo desses
anos de trabalho perceber que os alunos tinham pouco conhecimento sobre a
importância dessa metalurgia de aço. Embora muitos estudantes tivessem familiares
que trabalhavam e trabalham lá também não possuíam conhecimento a respeito
dela, o que produz e como produz.
Por outro lado, eu como professor de física ficava incomodado de ter pouco
conhecimento nesse setor siderúrgico e de não relacionar a física que eu ensinava
em sala de aula com os muitos fenômenos físicos que sabia que estavam ocorrendo
nesse processo de produção do aço. Outro aspecto que me levava a refletir sobre a
inserção da relação entre ensino de física e siderurgia foi a possibilidade dos alunos
trazerem para a sala de aula os conhecimentos e experiências vivenciadas pelos
seus familiares, tornando assim o aprendizado da física muito mais interessante.
Iniciado o Mestrado em Ensino de Física da Pontifícia Universidade Católica
de Minas Gerais era perguntados a nós, alunos da disciplina Produção do
Conhecimento em Ensino de Física, sobre qual assunto de Ensino de Física
queríamos desenvolver a pesquisa do mestrado. Expressei esse meu desejo de
ensinar uma física mais significativa inserida em um contexto relacionado com a
vivência dos alunos, ciente de que estava diante de pelo menos dois desafios:
desenvolver uma proposta didática envolvendo a siderurgia e ao mesmo tempo
compreender o funcionamento de uma siderurgia e a física nela envolvida, temas
bastante distantes do ensino de física normalmente desenvolvida nas escolas.
Uma animação do Alto-Forno Nº1 da Siderúrgica Gerdau Açominas em flash
player foi o ponto de partida de meu estudo sobre siderurgia. Passei a pesquisar em
livros e na internet o processo de produção do ferro-gusa e considerando que este
tema é novo no âmbito do ensino de física redigi para o professor um texto que
esquematiza os principais processos que ocorrem no interior de um alto-forno, com
indicações dos conteúdos de física que poderiam ali ser ensinados. (ANEXO A).
Os conteúdos de física térmica como calor, mudança de fase, calor
específico, 1ª. Lei da Termodinâmica, etc e de mecânica como as leis de Newton,
hidrodinâmica, etc estavam mais presentes, totalizando 26 temas (16 de física
13
térmica, 9 de Mecânica e 1 de eletricidade). Utilizando como referência os PCN+
(BRASIL, 2000), foi montada uma tabela com habilidades e competências que
poderiam ser desenvolvidas para cada um dos temas. (ANEXO B).
Levando em conta a estruturação do ensino médio de Ouro Branco, em que
os conteúdos disciplinares são ensinados seguindo as grandes áreas da Física
(mecânica na 1ª. série; física do calor e da luz na 2ª. série e eletromagnetismo e
física moderna na 3ª. série) optamos por desenvolver nossa proposta didática
relativa apenas a uma área do conhecimento – física térmica ou física do calor. A
escolha do tema e suas justificativas estão no Capítulo 2.
A próxima etapa foi à pesquisa de artigos relacionados com ensino de física
térmica publicados em revistas e atas de encontros de pesquisa em ensino de física.
Com a leitura desses trabalhos, através de uma síntese de cada artigo lido e
apontando se há ou não relação com a pesquisa em desenvolvimento, foi elaborado
o Cap. 3 que contextualiza o trabalho inserindo-o no cenário da educação brasileira
e das pesquisas em ensino de física térmica.
Em seguida foi desenvolvida uma proposta didática para o professor de física
(Capítulo 4), dos principais conteúdos da Física Térmica através do estudo de um
alto-forno (AF) siderúrgico, fundamentada em três momentos pedagógicos:
problematização inicial, organização do conhecimento e aplicação do conhecimento
(Delizoicov, 2002). A proposta didática é composta de 9 atividades de Ensino de
Física, sendo a primeira um levantamento do conhecimento sobre a usina
siderúrgica e a última um questionário dirigido aos alunos almejando a avaliação do
trabalho desenvolvido.
Após a elaboração, aplicação, revisão e reflexão, no Capitulo 5 são
apresentadas algumas considerações finais sobre o trabalho e seu desenvolvimento.
E, por fim, apresentam-se as Referências Bibliográficas, seguida pelos
anexos A, B e C. No ANEXO C está uma discussão mais detalhada das respostas
dos alunos às Atividades de número um a oito.
14
2 - O ENSINO DE FÍSICA NO BRASIL
Frente a uma área educacional problemática em relação aos níveis de
conhecimento e de formação para uma compreensão adequada do mundo
contemporâneo do século XXI, o Ministério da Educação propôs nos finais dos anos
1990 a nova Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional (LDB) (Lei 9.394/1996)
que fixa o Ensino Médio como parte da Educação Básica e direito de todo cidadão.
O ensino médio passa a integrar a etapa do processo educacional que a Nação considera básica para o exercício da cidadania, base para o acesso às atividades produtivas, para o prosseguimento nos níveis mais elevados e complexos de educação e para o desenvolvimento pessoal, referido à sua interação com a sociedade e sua plena inserção nela, que “tem por finalidades desenvolver o educando, assegurar-lhe a formação comum indispensável para o exercício da cidadania e fornecer-lhe meios para progredir no trabalho e em estudos posteriores”. (BRASIL, 1999, p.21)
O novo ensino médio passa a ter o atributo da terminalidade, uma etapa final
de uma educação geral com competências básicas que proporciona ao educando
sujeito produtor de conhecimentos e atuante no mundo do trabalho e ao exercício da
cidadania. Ele procurou atender ao educando num contexto de um novo significado
de trabalho para um mundo globalizado em que há necessidade do ser humano ser
ativo para contínuo aperfeiçoamento nos novos conhecimentos.
A tecnologia moderna, cada vez mais acessível e trazendo novas
informações, exige uma educação em que não há sentido memorizar conhecimentos
que estão sendo vencidos, mas requer do educando o desenvolvimento de
competências básicas que lhe permita ampliar sua capacidade de prosseguir
aprendendo.
Agora, a velocidade do progresso científico e tecnológico e da transformação dos processos de produção torna o conhecimento rapidamente superado, exigindo-se uma atualização contínua e colocando novas exigências para a formação do cidadão. (BRASIL, 1999, p.25 )
O norte da proposta curricular para a educação no contexto da LDB/1996 teve
como diretriz os quatro pilares da educação para o século XXI (aprender a conhecer,
aprender a fazer, aprender a viver e aprender a ser), apontadas pela UNESCO como
15
centro estrutural da educação para a sociedade em que vivemos. A partir dessas
diretrizes gerais o currículo tem como eixo: a Base Nacional Comum:
A base nacional comum refere-se ao conjunto de conteúdos mínimos das áreas de conhecimento articulados aos aspectos da vida cidadã que devem constar dos currículos escolares do ensino fundamental. Esses conteúdos mínimos das áreas de conhecimento são noções e conceitos essenciais sobre os fenômenos, processos, sistemas e operações, que contribuem para constituição do conhecimento, valores e práticas sociais indispensáveis ao exercício de cidadania plena.
1
A nova proposta curricular do ensino médio se estrutura por área de
conhecimento escolar e não por áreas das ciências como Física, Quimica,
Matemática , Geografia, etc por compreender que os conhecimentos que
compartilham objetos de estudo criam condições para que a prática escolar se
desenvolva numa perspectiva interdisciplinar, estabelecendo a organização em três
áreas: Linguagens, Códigos e suas Tecnologias, Ciências da Natureza, Matemática
e suas Tecnologias e Ciências Humanas e suas Tecnologias. Essa estruturação
Justifica-se por assegurar uma educação de base científica e tecnológica, na qual conceito, aplicação e solução de problemas concretos são combinados com uma revisão dos componentes socioculturais orientados por uma visão epistemológica que concilie humanismo e tecnologia ou humanismo numa sociedade tecnológica”. (BRASIL: 1999, p.32)
A Física, a Biologia, a Química e a Matemática pertencem à área de
conhecimentos a serem ensinados em Ciências da Natureza, Matemática e suas
Tecnologias e atendendo a Base Nacional Comum essas quatro disciplinas
possuem competências e habilidades afins a serem desenvolvidas utilizando seus
conteúdos numa perspectiva em que a ciência é compreendida como parte da
cultura humana.
Espera-se que o ensino de Física, na escola média, contribua para a formação de uma cultura científica efetiva, que permita ao indivíduo a interpretação dos fatos, fenômenos e processos naturais, situando e dimensionando a interação do ser humano com a natureza como parte da própria natureza em transformação. (BRASIL, 1999, p.229).
1 http://www.educabrasil.com.br/eb/dic/dicionario.asp?id=187 – Acessado em 24-9-2012.
16
Em meio a tantas situações impróprias ao aprendizado da Física que ocorrem
atualmente em nossas escolas como a simples enunciação de conceitos, soluções
de problemas repetitivos, apresentação do conhecimento como produto acabado,
como se não restasse nenhum problema relevante a ser resolvido, espera-se que
pela nova definição dos objetivos educacionais pelas competências a serem
desenvolvidas durante o processo de ensino, o educando possa construir seu
verdadeiro conhecimento e para que isso se realize precisamos repensar qual Física
devemos ensinar-lhes.
Dar ao ensino de Física essa nova missão significa promover um
conhecimento contextualizado e integrado à vida de cada jovem. Significa ensinar
uma Física que tem como ponto de partida e também de chegada o mundo vivencial
do aluno, sua realidade próxima ou distante, os objetos que ele lida no dia a dia ou
aquele fenômeno que vai despertar sua curiosidade, fazendo com que as
investigações, abstrações e generalizações potencializadas pelo saber da Física
possibilitem um novo olhar para objetos tecnológicos ou fenômenos significativos de
seu interesse. “Portanto, o conhecimento da Física "em si mesmo" não basta como
objetivo, mas deve ser entendido, sobretudo como um meio, um instrumento para a
compreensão do mundo, podendo ser prático, mas permitindo ultrapassar o
interesse imediato.” (BRASIL, 1999, p.230).
2.1 - Ensino de Física nos PCN+ e no CBC
A partir das diretrizes apresentadas pela LDB/1996, foram elaborados pelo
MEC os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) para o ensino básico e aqueles
dirigidos ao ensino médio, publicados em 1999 (BRASIL, 1999), Neste documento,
para a área das Ciências da Natureza e Matemática, encontram-se as diretrizes
gerais com a descrição dos objetivos do ensino pelas suas competências e
habilidades gerais nas três dimensões do conhecimento: representação e
comunicação (relativa ao domínio de linguagens), investigação e compreensão (no
domínio da investigação científica, seus procedimentos e métodos) e
contextualização sócio-cultural (contexto do desenvolvimento científico e
tecnológico, hoje ou no passado).
Os PCN para o ensino médio ganharam uma complementação pedagógica
denominada “PCN+ - Ensino Médio - Orientações Educacionais Complementares
17
aos Parâmetros Curriculares Nacionais” (BRASIL, 2002), no qual além de descrições
mais detalhadas das competências gerais, exemplificadas por conteúdos das áreas
disciplinares, são apresentadas questões especificas de cada uma delas.
Em relação ao ensino de Física é apontada a necessidade de se saber fazer
escolhas dos conteúdos de física a ser ensinado na educação básica em virtude da
vastidão de possibilidades. Para isso a preocupação deve focalizar em “para que
ensinar física” e não “o que ensinar de física”. “Esse objetivo mais amplo requer,
sobretudo, que os jovens adquiram competências para lidar com as situações que
vivenciam ou que venham a vivenciar no futuro, muitas delas novas e inéditas.”
(BRASIL, 2002, p.5). Se o objetivo é habilitar os jovens para situações reais do dia a
dia, temas da física como crises de energia, problemas ambientais, manuais de
aparelhos, concepções de universo, exames médicos, notícias de jornal, e assim por
diante devem ser objetos de estudo dos estudantes.
O problema central é descobrir que competências em física devem ser
adquiridas pelo jovem para que o ensino de física venha realmente ter êxito.
Caberá sempre ao professor, dentro das condições específicas nas quais desenvolve seu trabalho, em função do perfil de sua escola e do projeto pedagógico em andamento, selecionar, priorizar, redefinir e organizar os objetivos em torno dos quais faz mais sentido trabalhar. (BRASIL, 2002, p.5)
Os PCN+ avançam ainda mais propondo uma estruturação dos conteúdos
educacionais a serem ensinados, diferentemente da estruturação dos conteúdos da
ciência, pois para certos fins há conteúdos mais importantes que outros, e em
função disso os conhecimentos científicos a serem ensinados devem ser
reconstruídos ou reorganizados, dando-lhes uma nova dimensão. Nessa proposição,
os temas de física que unem conhecimentos e competências passam a ser
chamados de temas estruturadores e para ordenar o ensino da física foram
selecionados seis temas: – 1) Movimentos: variações e conservações – 2) Calor,
Ambiente, Fontes e Usos de Energia – 3) Equipamentos Eletromagnéticos e
Telecomunicações – 4) Som, Imagem e Informação – 5) Matéria e Radiação – 6)
Universo Terra e Vida.
18
Esses temas apresentam uma das possíveis formas para a organização das atividades escolares, explicitando para os jovens os elementos de seu mundo vivencial que se deseja considerar. Não se trata, certamente, da única releitura e organização dos conteúdos da Física em termos dos objetivos desejados, mas serve, sobretudo, para exemplificar, de forma concreta, as possibilidades e os caminhos para o desenvolvimento das competências e habilidades já identificadas. (BRASIL, 2002, p.19)
Para cada um desses temas estruturadores são definidas as unidades
temáticas, cerca de 4 para cada uma, que correspondem aproximadamente aos
temas a serem desenvolvidos em cada bimestre do ano letivo. E, para cada unidade
temática são descritas as competências a serem desenvolvidas. Por exemplo, no
tema estruturador (2) Calor, Ambiente, Fontes e Usos de Energia, tema relacionado
com esse trabalho de mestrado, as unidades temáticas são: - Fontes e trocas de
calor; - Tecnologias que usam calor: motores e refrigeradores; - O calor na vida e no
ambiente e – Energia: produção para uso social (BRASIL, 2002, p.74).
Exemplos de competências a serem desenvolvidas na unidade temática
“Fontes e trocas de calor” revelam o contexto em que os conteúdos da física térmica
devem ser abordados:
1- - Identificar fenômenos, fontes e sistemas que envolvem calor para a escolha de materiais apropriados a diferentes situações ou para explicar a participação do calor nos processos naturais ou tecnológicos. 2- - Reconheceras propriedades térmicas dos materiais e os diferentes processos de troca de calor, identificando a importância da condução, convecção e irradiação em sistemas naturais e tecnológicos. (BRASIL, 2002, p.73).
De acordo com a LDB/1996 o ensino em de cada estado da união deve ser
elaborado pelas respectivas secretarias de educação, parametrizado pelos PCN de
caráter nacional. No Estado de Minas Gerais é elaborada a proposta curricular
identificada como CBC (Conteúdos Básicos Comuns) pelo fato de propor uma base
comum para as séries iniciais, focalizando os elementos da física considerados
essenciais na formação cultural e científica do cidadão dos dias atuais.
No ensino médio, os conteúdos básicos de física devem ser ensinados para
todos os alunos do 1º ano do Ensino Médio e a proposta curricular:
Ela contém também uma proposta de Conteúdos Complementares destinados ao aprofundamento e ampliação dos conteúdos propostos para o 1º ano. Os Conteúdos Complementares estão previstos para serem trabalhados no 2º ano, com os alunos que optarem pelas áreas de ciências
19
naturais. Entretanto, os alunos que optarem pelas outras áreas, poderão estudar um subconjunto desses Conteúdos Complementares. No 3º ano, a escola poderá decidir sobre os conteúdos a serem ensinados, podendo optar pela revisão de tópicos dos anos anteriores, aprofundamento ou ampliação dos mesmos. (MINAS GERAIS, 2007, p. 11)
Esta proposta curricular contida no CBC (Física) para os estabelecimentos
públicos de ensino médio de Minas Gerais propõe ênfase aos fenômenos físicos do
cotidiano, a tecnologia, aos conhecimentos criados pela Física contemporânea e a
estabelecer relações com outros conteúdos, na mesma direção dos PCN. Entretanto
as diretrizes norteadoras são de natureza diferente daquelas sugeridas nos PCN+,
constituídas de uma diferenciação entre competências e objetivos do ensino da
física. As diretrizes norteadoras do CBC para o ensino da física:
Desenvolvimento de Competências (Uma primeira diretriz seria pensar o currículo como espaço de desenvolvimento de competências cognitivas, competências práticas e competências sociais que todo cidadão deve ter. ....). Construção e Explicação de Fenômenos (Uma segunda diretriz seria levar o estudante a entender e apreciar a forma como a Física constrói descrições e explicações sobre fenômenos. .....) Uso de Artefatos Tecnológicos (O currículo deve propiciar ao estudante compreender algumas das tecnologias desenvolvidas a partir do conhecimento gerado pela Física. ...) Aproximação com as Coisas Cotidianas (A Física escolar deve se aproximar cada vez mais da Física do mundo real, das coisas do nosso cotidiano. ...) . Contextualização e Interdisciplinaridade (Alguns artefatos tecnológicos comuns não devem passar despercebidos nas salas de aulas. ... A contextualização e a interdisciplinaridade não se restringem ao tratamento simultâneo de um mesmo tema de estudo pela Física e por outras disciplinas, ou à inclusão do ponto de vista de outras disciplinas nos temas tradicionalmente estudados pela Física....) (MINAS GERAIS, 2007, p. 16,17)
A proposta curricular de Minas Gerais organiza os conteúdos educacionais
em VII Eixos Temáticos, sendo 3 para o CBC (1º. Ano) e 4 para os conteúdos
complementares (2º. e/ou 3º. Ano). São eles:
Conteúdo Básico Comum (CBC) – 1º. ano Eixo temático I – Energia na Terra; Eixo temático II – Transferência, Transformação e Conservação da Energia; Eixo temático III – Energia – Aplicações; Conteúdos Complementares de Física Eixo temático IV – Luz, som e calor
20
Eixo temático V – Força e movimento Eixo temático VI – Eletricidade e magnetismo Eixo temático VII – Física Moderna (MINAS GERAIS, 2007, p.7)
No interior dos Eixos Temáticos são definidos temas, que para o CBC são:
Tema -1: Energia e vida na Terra; Tema – 2: Conservação de energia; Tema -3:
Energia Térmica; Tema - 4: Energia Mecânica; Tema – 5: Calor e movimento; Tema
– 6: Energia Elétrica; Tema – 7: Calculando a energia Térmica; Tema – 8:
Calculando a energia elétrica.
Para cada um dos temas são definidos tópicos e habilidades e um
detalhamento das habilidades. Nos conteúdos relativos á física do calor um
exemplo de detalhamento das habilidades:
Tabela 1 - Tema 3: Energia Térmica
Tópicos/habilidades Detalhamento das habilidades
5. Transferência de calor por
condução
5.1. Aplicar o conceito de
energia e suas propriedades
para compreender situações
envolvendo corpos com
temperaturas diferentes que
estejam em contato.
5.1.1 – Saber que o calor é uma forma de energia que passa de um
corpo para outro devido à diferença de temperatura entre eles.
5.1.2 – Saber que, quando dois corpos, com diferentes temperaturas,
estão em contato, o corpo mais quente perde calor e o mais frio
recebe calor.
5.1.3 – Saber que, quando dois corpos trocam calor entre si eles
tendem a uma temperatura final comum chamada de temperatura de
equilíbrio térmico.
5.1.4 – Saber que a sensação térmica está ligada à taxa de
transferência de calor e, portanto, à condutividade térmica do material
ao qual o indivíduo está em contato.
É possível observar que as competências/habilidades definidas nos PCN+
são de compreensão dos sistemas tecnológicos no qual o calor é participante
fundamental e nas competências definidas nos CBC o calor envolvido é de definição
e caracterização de processos da física térmica, desconectado da realidade. Neste
último, o referencial está na ciência e no primeiro está no mundo do aluno,
mostrando visões diferentes sobre competências educacionais serem desenvolvidas
no ensino da física.
Vários estados elaboraram seu material pedagógico para que a sua proposta
curricular venha a ser bem sucedida e no Estado de Minas Gerais foi desenvolvido
21
um sistema de apoio ao professor que inclui cursos de capacitação de professores
e:
O Centro de Referência Virtual do Professor (CRV), o qual pode ser acessado a partir do sítio da Secretaria de Educação (http://www.educacao.mg.gov.br). No CRV encontra-se sempre a versão mais atualizada dos CBCs, orientações didáticas, sugestões de planejamento de aulas, roteiros de atividades e fórum de discussões, textos didáticos, experiências simuladas, vídeos educacionais, etc; além de um Banco de Itens. Por meio do CRV os professores de todas as escolas mineiras têm a possibilidade de ter acesso a recursos didáticos de qualidade para a organização do seu trabalho docente, o que possibilitará reduzir as grandes diferenças que existem entre as várias regiões do Estado. (Minas Gerais, 2007, p. 9)
Outro material de apoio do professor – o livro didático – também sofreu
impacto oriundo das novas diretrizes da reforma educacional (LBD/1996) através do
Programa Nacional do Livro Didático (PNLD) proposto pelo MEC com o objetivo de
analisar e avaliar os livros didáticos a serem distribuídos gratuitamente às escolas
públicas. No âmbito da disciplina Física, que passa a receber livros didáticos a partir
do PNLD de 2005, são poucos livros aprovados. No último PNLD/2012 que avaliou
os livros do ensino médio, 10 coleções foram aprovadas. Segundo MEGID (MEGID,
2011) nem todos os aprovados apresentam os elementos exigidos em edital do
PNLD/2012, definidos de forma compatível com os PCN, sendo apenas 2 os que
podem ser considerados como consistentes com a nova proposição para o ensino
de Física.
Segundo Lajolo a importância do livro didático “aumenta ainda mais em
países como Brasil, onde uma precaríssima situação educacional faz com que ele
acabe determinando conteúdos e condicionando estratégias de ensino, marcando,
pois, de forma decisiva, o que se ensina e como se ensina o que se ensina.” (In
MARTINS e HOSOUME, 2007), o que significa que o livro didático é na prática o
principal referencial curricular.
Embora cada estado da união tenha elaborado sua proposta curricular de
ensino, como previsto na LDB/1996, existe em nível nacional uma avaliação que
procura medir a aprendizagem no ensino médio – o ENEM (Exame Nacional do
Ensino Médio). Este exame procura avaliar as competências definidas nos PCN
articuladas com os conteúdos específicos de cada disciplina e atualmente ele
22
adquiriu um caráter seletivo de ingresso às universidades e também de certificação
do ensino médio da Educação de Jovens e Adultos (EJA).
Em síntese, o ensino de física no Brasil é norteado pelos PCN, PCN+, a
proposta curricular de cada estado, as propostas curriculares dos livros didáticos e
as avaliações nacional e/ou regional, como o PAAE2 do Estado de Minas Gerais,
que muitas vezes não são consistentes entre eles, levando muitas vezes o ensino de
física a um conjunto desconexo de soma de partes retiradas de cada uma destas
proposições.
2.2- Ensino de Física Térmica no contexto da pesquisa
A partir da publicação dos PCN (1999), dos PCN+ e das aplicações dos
exames do ENEM, dando uma nova definição e direção ao ensino médio, as
pesquisas em ensino das Ciências da Natureza ganharam uma nova dimensão,
aumentando de forma significativa o número de pesquisas sobre temas envolvendo
aspectos privilegiados na nova proposição.
Muitas pesquisas utilizam os PCN e/ou PCN+ como referência de critica do
ensino de física que se desenvolve em sala de aula, apontando que o ensino atual é
descontextualizado, centrado em poucas habilidades como resolução de problemas,
com apresentação de conteúdos científicos defasados de pelo menos 100 anos
(ROSA e ROSA, 2005), sendo necessário ir em direção às novas proposições que
apresentam problemas de relevância social, abordam novas tecnologias,
desenvolvem conteúdos científicos modernos e abarcam a dimensão epistemológica
da ciência. (PIETROCOLA, 2010; OLIVEIRA, VIANNA e GERBASI, 2007)
Outros trabalhos procuram identificar o nível de compreensão dos professores
em relação aos elementos das novas proposições como o significado de “tecnologia
como objeto de ensino”, detectando que ela (a tecnologia) é reduzida ao seu uso
instrumental, tornando-se mera motivação para alunos e não seu objeto de
discussão e/ou ensino (RICARDO, CUSTÓDIO e REZENDE JR, 2007). Na mesma
direção, nos livros didáticos de Física, material de referência do professor, o
significado de “contextualização do ensino” é apresentado como contextualização do
2 PAAE – Programa de Avaliação da Aprendizagem Escolar - avalia as turmas da 1ª série do ensino
médio onde os tópicos e habilidades são do CBC. Tem como principal objetivo identificar
necessidades imediatas de intervenção pedagógica.
23
conteúdo científico e não do ensino, em que os elementos tecnológicos, sociais e/ou
históricos são apresentados como leituras complementares e não como contexto
para o desenvolvimento do conhecimento científico. (REIS, 2009).
Nesse processo de adequação às novas propostas (PCNs, CBC, Novo
ENEM, etc) o ensino de física térmica também ganha nova compreensão em função
do tema bastante contemporâneo: fonte de energia e meio ambiente. A pesquisa de
AGUIAR JR e FILOCRE é um exemplo de trabalho interdisciplinar, com participação
de professores de física, química e biologia, na elaboração e aplicação de uma
proposta de ensino para a 8ª. série (atual 9º. ano do ensino fundamental),
abordando conteúdos da Física Térmica através do tema Regulação Térmica nos
Seres Vivos, resultado de várias razões, dentre elas: de um ponto de vista físico,
solicita tratamento de conceitos termodinâmicos, desde os mais elementares e
fundamentais - equilíbrio térmico, calor e temperatura - até seus princípios gerais -
conservação e degradação da energia. (AGUIAR JR, FILOCRE, 2002).
A pesquisa de SILVA, LABURÚ e NARDI indica que em muitos livros,
principalmente os de Química e de Física introdutória, são utilizadas expressões
infelizes, referindo-se, por exemplo, ao calor de um corpo como se o calor fosse uma
propriedade do corpo, pensado como um fluido contido nos corpos que, de alguma
maneira, poderia passar de um corpo para outro. (SILVA, LABURÚ e NARDI, 2008).
Já o trabalho de pesquisa de BALDOW e MONTEIRO JR (BALDOW e
MONTEIRO JR ,2010) destaca a importância da História da Ciência para a formação
do aluno, lembrando que a História da Ciência é uma das diretrizes dos PCNs, e
analisa distorções e omissões na história do desenvolvimento da Termodinâmica em
textos didáticos de cinco livros de física. Muitas foram as conclusões obtidas pelos
autores da pesquisa, dentre elas:
1- Ha algumas categorias que sequer foram citadas, não aparecendo em nenhum dos textos analisados, parecendo não serem relevantes como a relação entre o principio da equivalência de Mayer e o enunciado da 1a lei da termodinâmica realizado por Clausius e a ideia Kelvin sobre o refrigerador. 2- A teoria do calórico, apesar de ser lembrada nos livros, dificilmente e bem interpretada. Beatriz e Maximo (2006) afirmam que tal teoria explicava que quanto maior fosse a temperatura do corpo, mais calórico ele tinha no seu interior, constituindo-se numa interpretação equivocada desta teoria. Na verdade, tal teoria afirmava que quanto maior fosse a temperatura do corpo, maior seria a tensão exercida pelo fluido calórico no interior deste corpo (in: MEDEIROS, 2007). 3-Com respeito a segunda lei, ha algumas apresentações discordantes com a leitura histórica construída nesta pesquisa. No livro de Ramalho et al
24
(2004) refere-se a segunda lei, afirmando que “a transferência preferencial de calor do corpo quente para o corpo frio levou Clausius a enunciar a segunda lei”. Perceba que se constitui num equivoco histórico, na medida em que não ha evidencia de que Clausius acreditasse na preferência do calor e, consequentemente, não ha evidencia de que o enunciado de tal lei tenha sido influenciado por tal ideia. (BALDOW e MONTEIRO JR, 2010, p 13, 14.)
Pesquisas que desenvolvem propostas didáticas de conteúdos da física térmica são
raras, sendo mais presentes aquelas de natureza analítica exploratória que apontam
falhas, incorretezas conceituais em textos didáticos ou compreensões errôneas de
professores e alunos. Contudo, as mudanças propostas pelos PCN para melhorar o
ensino da física vem sendo um desafio para os professores que devem buscar
meios para que os novos horizontes apontados sejam atingidos mediante a
realidade escolar do Brasil contemporâneo. . Diante dessa tarefa, é importante que
os alunos e professores tenham materiais didáticos de boa qualidade para garantir o
desenvolvimento da aprendizagem e do ensino da física.
2.3 - Justificativa do Trabalho de Pesquisa
O governo federal empenha-se em melhorar o ensino médio implantando
políticas públicas que sejam eficientes para resolver os problemas desse nível de
ensino, talvez o mais complexo. Sendo assim o governo, organiza o ensino médio,
faz reformas no currículo, lança o ensino médio inovador, destaca o papel que a
educação deve ter numa sociedade cada dia mais envolvida com a tecnologia.
Enfim, o governo apresenta um conjunto de ações para melhorar o ensino médio.
Estamos vivendo um período de implantação de grandes mudanças na
educação, com o aumento do número de estudantes no curso superior, sendo que a
maioria faz a prova do ENEM, que é um sistema de avaliação usando das
habilidades e competências contida na nova proposta para a educação. A mudança
se faz necessária em virtude do atraso no ensino em relação aos países
desenvolvidos e no caso da física um ensino distante da realidade do aluno que está
envolvido com a tecnologia.
O ingresso dos alunos no ensino médio também tem aumentado. É um
desafio fazer com que permaneçam na escola e um desafio maior ainda capacitá-los
para as condições requeridas pela legislação que deve prepará-los para o exercício
da cidadania e necessidades da sociedade contemporânea.
25
Nas escolas do Estado de Minas Gerais está implantado o CBC, uma
proposta inovadora que enfrenta resistências nas escolas e esse fato nos remete à
da concepção “bancária” de educação de Paulo Freire. Cabe a cada profissional da
educação fazer sua parte: “Ninguém liberta ninguém, ninguém liberta sozinho: Os
homens se libertam em comunhão”. (FREIRE, P. 1983, p 29.)
Diante dessas providências para mudar o cenário da educação nacional a
minha proposta didática intitulada Ensino de Física Térmica a partir do estudo do
AF, pretende acrescentar ao professor de física, recursos para que seus alunos re-
signifiquem os conhecimentos presentes em sua vida cotidiana, desvelando a
tecnologia empregada no AF siderúrgico utilizando conceitos de Física Térmica e, ao
saber o que é produzido num AF e seu papel no cenário nacional, sejam capazes de
se posicionar e atuar de maneira cidadã.
26
3 - ENSINO DE FÍSICA E O ESTUDO DO ALTO-FORNO
Depois de assistir a vários vídeos na internet sobre siderúrgica e
principalmente uma animação em flash player (cd em anexo) de um alto-forno que
produz ferro-gusa, foi constatado que esse processo tecnológico envolve muita
física, principalmente a térmica. Então, definimos que a pesquisa seria o
desenvolvimento de uma proposta de ensino de física térmica no contexto da
compreensão do funcionamento de um alto-forno siderúrgico, o que foi me foi muito
agradável, pois aprenderia sobre siderurgia e a física nela presente. Também
considerei interessante o fato dos meus alunos aprenderem mais sobre a usina
siderúrgica, objeto tecnológico presente em seu dia-a-dia. Assim, a proposta didática
elaborada é destinada ao professor de física, sobretudo aquele que leciona numa
região em que uma usina siderúrgica tem papel relevante na vida da cidade.
Na elaboração da proposta, além dos referenciais teóricos anteriormente
mencionados como PCN, PCN+, CBC e artigos da área, a sua estruturação está
alicerçada nos três momentos pedagógicos: problematização inicial, organização do
conhecimento e aplicação do conhecimento de Delizoicov et al. (DELIZOICOV,
ANGOTTI e PERNAMBUCO; 2002, p. 200)
A proposta é composta de 9 atividades para serem desenvolvidas em sala de
aula, uma em cada aula, iniciando por um levantamento do conhecimento do aluno
sobre o papel e funcionamento de uma siderurgia, seguido de sete aulas que
exploram a fabricação do ferro-gusa a partir do minério de ferro, nos quais são
desenvolvidos os conteúdos de física térmica envolvidos e uma última, um
questionário focalizando a avaliação de todo o trabalho.
Cada uma das atividades foi aplicada em minhas turmas e pude contemplar,
sobretudo o sucesso da 4ª a 8ª atividade. De maneira geral os conteúdos de física
abordados parecem ter sido bem entendidos, tanto o conteúdo de física térmica
quanto o entendimento do funcionamento do alto-forno. Os alunos, na sua grande
maioria, participaram de forma ativa durante todo o período da aplicação.
Uma discussão detalhada da aplicação da primeira até a oitava atividade se
encontra no ANEXO C.
A proposta foi aplicada na Escola Estadual Cônego Luis Vieira da Silva (Ouro
Branco-MG) para as quatro turmas da 2ª série do ensino médio, do turno matutino.
Essa escola funciona em 3 turnos e atende aproximadamente 1100 alunos, em sua
27
maioria pessoas de baixa renda, inclusive uma parcela significativa da zona rural. A
atividade nº 1 foi aplicada no primeiro semestre de 2012 e participaram 97 alunos, a
última a nove, no final do ano envolveu 92. A atividade com número menor de
alunos foi a quatro com 81 alunos por ter sido realizada véspera de feriado na
cidade.
A seguir é apresentado o texto redigido para o professor, produto de meu
trabalho, com o titulo: Uma proposta de ensino de física térmica usando alto-
forno. Este texto pode ser extraído da dissertação sem perder a totalidade.
28
4. TEXTO PARA O PROFESSOR
UMA PROPOSTA DE ENSINO DE FÍSICA USANDO ALTO-FORNO
Prezado colega professor de física
Este texto é uma proposta de ensino dos principais conteúdos envolvidos no
ensino da Física Térmica, como os conceitos de temperatura, calor e energia
térmica; os processos de condução e propagação térmica, e mudança de estado
físico e é dirigida, sobretudo, para professores que atuam em regiões em que uma
usina siderúrgica tem significado no cotidiano de seus alunos.
O contexto para o desenvolvimento de conteúdos da física térmica é o estudo
de um alto-forno de uma siderúrgica: após a sensibilização em relação à este tema
são propostas atividades que, ao acompanhar o processo de obtenção de ferro-gusa
a partir do minério de ferro, são discutidos os conteúdos físicos presentes em cada
momento.
A proposta está estruturada em três momentos pedagógicos: problematização
inicial, organização do conhecimento e aplicação do conhecimento. No primeiro
momento os alunos são desafiados a expor o que entendem sobre alto-forno. A
meta é problematizar esses conhecimentos e espera-se do professor questionar
posicionamentos e fomentar a discussão das distintas respostas dadas pelos alunos
e lançar dúvidas do assunto, mais do que responder ou fornecer explicações.
Como diz DELIZOICOV et al.
Deseja-se aguçar explicações contraditórias e localizar as possíveis limitações e lacunas do conhecimento que vem sendo expresso, quando este é cotejado implicitamente pelo professor com o conhecimento científico que já foi selecionado para ser abordado. (Delizoicov et al, 2002, p. 201):
O ponto principal dessa problematização é fazer com que o aluno sinta a
necessidade de adquirir conhecimentos que ainda não possui acerca do alto-forno,
ou seja, a situação em questão passa a ser um problema que precisa ser
solucionado.
Sobre a Organização do Conhecimento, o segundo momento, escrevem os
mesmos autores:
Os conhecimentos selecionados como necessários para a compreensão dos temas e da problematização inicial são sistematicamente estudados
29
neste momento, sob a orientação do professor. As mais variadas atividades são então empregadas, de modo que o professor possa desenvolver a conceituação identificada como fundamental para uma compreensão científica das situações problematizadas. (DELIZOICOV et al. 2002, p. 201):
E por fim o último momento, a Aplicação do Conhecimento em que continua
com aplicações de atividades e usando dos conceitos da física térmica explica o
funcionamento do Alto-Forno e de equipamentos de suas imediações. Fazendo
neste momento a formulação de problemas.
A meta pretendida neste momento,
É muito mais a de capacitar os alunos para ao emprego dos conhecimentos, no intuito de formá-los para que articulem, constante e rotineiramente, a conceituação científica com situações reais, do que simplesmente encontrar uma solução, ao empregar algoritmos matemáticos que relacionam grandezas. (DELIZOICOV et al. 2002. p. 202)
Estes 3 momentos sustentam o desenvolvimento da prática pedagógica de
uma maneira global (o texto como um todo) e também o processo em que o alto-
forno vai sendo “desmontado” em partes.
A proposta didática é composta de 9 atividades a serem desenvolvidas em
sala de aula, uma em cada aula, iniciando por uma que faz um levantamento do
conhecimento do aluno sobre o papel e funcionamento de uma siderurgia, seguido
de sete propostas de aula que exploram a fabricação do ferro-gusa a partir do
minério de ferro, nos quais são desenvolvidos os conteúdos de física térmica e uma
última que trata de um questionário para os alunos responderem servindo para
avaliação de todo o trabalho.
No Quadro 1 é apresentado um esquema das atividades que compõem a
proposta didática.
30
Quadro 1 – Esquema de atividades da proposta didática
ATIVIDADE OBJETIVO INSTRUMENTO PEDAGÓGICO
1- A usina siderúrgica de nossa cidade.
Sensibilizar os estudantes para o papel de uma usina siderúrgica e efetuar a problematização inicial global.
Responder questionário. Desenhar um AF. Trabalho individual.
2 – Conferindo os conhecimentos
Ampliar o conhecimento do aluno sobre a importância regional e nacional da usina de sua cidade.
Conferir e discutir as respostas dos alunos ao questionário da atividade anterior. Trabalho coletivo: alunos + professor
3 – O que tem de diferente entre os esquemas?
Identificar as partes que compõem um alto- forno
Identificar as diferenças entre os desenhos dos alunos e um esquema de alto-forno. Trabalho em grupo.
4 - O que entra e sai de um AF?
Obter uma visão geral do funcionamento de um AF, identificando o material de entrada, seu caminho no interior do mesmo e caracterizando sua saída como ferro gusa.
Responder cinco questões utilizando como suporte a leitura de 2 textos sobre o tema. Trabalho em grupo.
5 - Temperaturas no interior do AF
Compreender a importância das diferentes temperaturas no interior do AF para o adequado funcionamento do mesmo. Relacionar o estado físico da matéria com sua temperatura. Avaliar temperatura pela cor de luz.
Responder questões utilizando como suporte a leitura de textos. Trabalho em grupo.
6 - As transformações do minério de ferro
Compreender como ocorrem as diferentes pressões e temperaturas no interior do AF. Relacionar valores de pressão e temperatura com as transformações que ocorrem no minério de ferro no processo de obtenção do ferro gusa. Conceituar fenômenos da convecção e mudança de estado físico da matéria.
Leitura de textos e respostas ás questões propostas. Discussão em grupo. E trabalho em grupo para casa.
7 - As paredes de um alto forno são especiais?
Compreender o uso de diferentes materiais em diferentes partes de um AF devido a altas temperaturas e grandes impactos em seu interior. Conceituar fenômeno da condução térmica.
Responder questões utilizando como suporte a leitura de textos. Trabalho em grupo.
8 - Refrigeração a água – que propriedade é essa da água?
Explicar a escolha da água para refrigeração do AF e, também, que para uma mesma mudança de temperatura se tem necessidade de diferentes quantidades de energia/calor para diferentes materiais. Conceituar calor específico.
Responder questões utilizando como suporte a leitura de textos. Trabalho em grupo.
9 - Avaliando o trabalho realizado com os alunos
Avaliar a proposta em relação à compreensão de um AF e a física nele envolvida.
Responder questionário. Desenhar um AF. Trabalho individual.
Também, para dar uma organicidade aos textos das atividades, eles estão
estruturados em itens que tratam da: apresentação da atividade, seus objetivos,
desenvolvimento da atividade e encaminhamento da discussão que se baseia nas
respostas dadas pelos alunos durante a aplicação da proposta em sala de aula.
31
4.1 - Atividade nº 1: A usina siderúrgica de nossa cidade
Nós professores, ficamos com nossos pensamentos voltados aos alunos, se
eles estão gostando de nossas aulas e se estão envolvidos harmoniosamente com
os conteúdos disciplinares. Sabemos que devemos partir do conhecimento do aluno
para alavancá-lo da sua base de conhecimento e trazê-lo para o ponto desejado das
ciências, no nosso caso a física.
Objetivo: sensibilizar os estudantes para o papel de uma usina siderúrgica e efetuar
a problematização inicial global.
Desenvolvimento da atividade:
A seguir, como sugestão, é apresentado um questionário para diagnosticar a
compreensão dos alunos concernente ao envolvimento do mesmo com o meio
siderúrgico (pode ser até envolvimento familiar) e também em termos de
conhecimentos culturais. Em função do tempo disponível e/ou das características
dos alunos, o levantamento pode ser realizado oralmente em sala de aula colocando
as respostas no quadro. Só a questão cinco deve ser feita pelo aluno em papel em
sala de aula.
Quadro 2 - Exemplo de questionário
Nome: ______________________________ Turma: _____________ 1) Na região onde você mora existe uma usina siderúrgica? Qual nome dessa usina? 2) Quantas pessoas de sua família trabalham nela? O que faz cada um? 3) Qual a importância de uma usina siderúrgica para a sua região? E, para o Brasil? 4) Você sabe o que faz uma usina? Faça um pequeno resumo do que ocorre no interior de uma usina. 5) Você conhece um alto-forno? Se sim, desenhe um esquema que mostra suas partes. Se não, como você imagina que funciona um alto-forno – faça um esquema de seu funcionamento. 6) Você já visitou esta usina? Em caso positivo, o que aprendeu nesta visita? Em caso negativo, você gostaria de conhecer? Por quê?
Fonte: O autor
Estas perguntas nortearão o desenvolvimento do trabalho fazendo com que
os alunos sintam a necessidade de buscar respostas e até mesmo outras perguntas
que surgirem relacionados com a siderurgia. A nossa sugestão é que o questionário
32
seja respondido pelo aluno individualmente, pois a autenticidade possibilitará melhor
trabalho de levantamento dos significados que a usina proporciona aos estudantes.
Encaminhamento da discussão
O objetivo dessa atividade é a aplicação do questionário em sala de aula.
O tipo de resposta que os alunos poderão dar pode até pode parecer
assustador, pelo desconhecimento da realidade de seu entorno. Entretanto, o
importante é a natureza das respostas, que deverá possibilitar o inicio do diálogo
pedagógico.
No questionário aplicado nessa pesquisa, os alunos quase na sua totalidade
identificaram a Gerdau Açominas como siderúrgica, embora cerca da metade
escrevesse errado o nome da mesma. Esse número de acerto poderá ser bem
menor se não existir usina siderúrgica na região em que se encontra a escola. Por
exemplo, um aluno de Belo Horizonte poderá ter dificuldades em saber que a
Mannesmann é uma Siderúrgica ou nem se lembrar dela. Certamente nomes que
não são de siderúrgicas podem surgir, como de alguma empreiteira grande, de
mineradora etc.
Também o nosso resultado mostra que a maioria dos alunos diz saber da
importância da siderúrgica para a região ou país e não sabem o que lá se produz,
revelando a falta de conhecimento dos alunos sobre siderúrgica. Pouquíssimos
deles fizeram visita, mas expressaram o desejo de fazê-lo para conhecer melhor e,
quem sabe, um dia poder trabalhar lá.
Sobre o esquema do funcionamento de um AF, surgiram desenhos das
formas mais variadas possíveis, como da figura 1 a seguir em que o aluno baseou
em fornos de barro dos que se usavam antigamente nas residências, principalmente
na zona rural ou em fornos de carvoaria.
33
Figura 1 – Desenho de aluno
Fonte: O autor
Outra situação, como exemplo a (fig. 2) em que o aluno mostra que ele já viu
um AF, pois ele quis desenhar uma correia transportadora alimentando o AF pelo
topo.
Figura 2 – Desenho de aluno
Fonte: O autor
Surgiram também figuras aparentemente sem significados como a (fig. 3),
mas que fazem parte do processo, compondo a imaginação do aluno.
34
Figura 3 – Desenho de aluno
Fonte: O autor
4.2 - Atividade nº 2 : Conferindo os conhecimentos
Embora as respostas sejam individuais, o seu conjunto pode dar uma visão
das percepções dos alunos sobre o tema em questão. Não será necessário dar
retorno ao aluno individualmente, mas existem conjuntos de respostas que devem
ser exploradas, após a aplicação do questionário, com o intuito de alcançar os
objetivos definidos e, ao mesmo tempo, servirem de respostas às questões
colocadas pelos alunos no processo de levantamento dos conhecimentos prévios
dos mesmos.
Objetivo: Identificar nominalmente a usina presente na cidade e conscientizar os
estudantes para o papel econômico e social da mesma.
Desenvolvimento da atividade:
Essa 2ª atividade trata de uma discussão das respostas dos alunos às
questões 1, 2, 3 e 4 do Questionário do Quadro 2. Essa atividade deve levar em
conta as respostas de cada classe. Todos os comentários sobre as respostas dos
alunos devem ser positivas – não devem ser apresentado ou comentado exemplos
que constrangem os alunos.
Apresentar para os alunos de uma turma, resultados ou exemplos de
respostas desta turma. Primeiro trabalhar com respostas diretamente ligados ao
35
aluno e depois pode/deve ampliar para os resultados de outras classes – para
mostrar se são semelhantes ou não.
Na 1ª questão, podem-se dizer quantos desta turma indicaram corretamente
as usinas que existem na região onde mora – ao comentar, dar a resposta correta.
Se a maioria estiver correta, reforçar dizendo que o conhecimento deles é bom! Ao
comentar as respostas à questão 2, (Quantas pessoas de sua família trabalham
nela? O que faz cada um?), poderá por exemplo dizer os tipos de trabalhadores que
participam desta usina e outros aspectos que considerar importantes. Na questão 3
e 4, da mesma forma mostrar de maneira geral o papel que os alunos acreditam
que a usina tem – tipos de respostas.
Nesta atividade é interessante desenvolver, depois dessa discussão das
respostas, uma atividade de leitura de textos sobre a Usina – sua história e seu
papel econômico e social. O professor pode procurar um texto desta natureza, ou
compor com fragmentos de várias fontes, ou ele mesmo pode escrever. Este texto
deve dar uma melhor compreensão do papel desta Usina. Pode ser uma atividade
de leitura compartilhada, na qual cada aluno lê um pedaço em voz alta e o professor
vai comentando, chamando atenção para os pontos importantes, explicando o que
achar necessário.
Uma sugestão é o Texto 2.1 que se encontra no final desta atividade. O Texto
2.2 também no final foi usado por mim e pode lhe servir de referência.
Encaminhamento da discussão
Essa atividade pode originar uma aula interessante, despertando a atenção
dos alunos, pois através da questão 2 podem ser apresentadas algumas profissões
exercidas dentro da siderúrgica. Por exemplo, em minha aplicação, quando citei a
presença de professor de educação física ou de advogado, pude perceber que o fato
era novidade para os alunos. Também vários outros profissionais serão lembrados
pelos alunos. Essa identificação, da diversidade e da função dos profissionais
participantes de uma siderúrgica, aumenta a compreensão da complexidade de uma
empresa dessa natureza e pode delinear as profissões que futuramente os alunos
poderão exercer.
As questões 3 e 4 podem apresentar respostas mais dispersas, como aquelas
encontradas em nossa pesquisa, em que o aluno diz que trabalhar na Siderúrgica
36
Gerdau Açominas não está sendo vantajoso hoje em dia, pois comenta-se na cidade
que outras empresas da região estão remunerando melhor seus funcionários e com
menos excessos de cobrança. Dando continuidade, o professor poderá apresentar
os benefícios que a empresa deve ou pode oferecer ao funcionário como plano de
saúde, seguro de vida, incentivo a estudos etc, além de o funcionário adquirir
experiência.
Uma sugestão para o desenvolvimento dessa atividade é a leitura de textos
que abordam o papel das siderúrgicas no contexto brasileiro ou internacional. Como
exemplos de textos são apresentados os dois utilizados em nossa pesquisa: “A
indústria do aço no Brasil - Aspectos Econômicos e Sociais” e “Açominas”. As fontes
dos dois textos estão indicadas no início dos mesmos.
É interessante a leitura compartilhada, em que cada aluno lê um trecho em
voz alta e o professor vai estabelecendo um diálogo com a classe, em termos de
explicação do que está sendo lido e/ou ampliando o tema em questão. Um detalhe
muito importante nessa atividade é ser objetivo, para não ultrapassar o tempo de
uma aula, pois se descuidar ele não será suficiente.
___________________________________________________________________
Texto 2.1
A indústria do aço no Brasil - Aspectos Econômicos e Sociais
Fonte: http://www.acobrasil.org.br/site/portugues/index.asp.
Caracterização Econômica
A indústria brasileira do aço ocupa posição estratégica na estrutura produtiva
do país. De acordo com estudo desenvolvido pela Fundação Getúlio Vargas em
2011 sobre a importância estratégica do aço na economia brasileira, o valor de
produção do segmento corresponde a 4,8% do total da economia, gerando um
impacto no PIB nacional de 4,0%.
As empresas associadas ao Instituto Aço Brasil foram responsáveis pela
geração de 109 mil ocupações durante o ano de 2011 (efetivo próprio e de
terceiros). A indústria de aço nacional dispõe de tecnologias avançadas de produção
e beneficiamento, com potencial para produzir os mais diversos produtos
siderúrgicos e capacidade instalada bastante superior à demanda do mercado
interno.
37
A produção de aço bruto em 2011 foi 7,0% superior a 2010. Esta produção
situa o Brasil como 9º maior produtor mundial.
Principais aspectos sociais
Perfil dos colaboradores
Gênero: A força de trabalho do setor é majoritariamente masculina. As mulheres
representam 7% do total de empregados das empresas associadas.
A expressiva participação majoritária de homens na força de trabalho do setor
siderúrgico tem, historicamente, como justificativa as características das funções
industriais, de periculosidade e esforço físico, fatos que vêm sendo gradualmente
alterados devido à crescente automação dos processos e ao ingresso das mulheres
em áreas de atuação antes totalmente dominadas pelos homens. Efetivo próprio
por gênero (2011)
Faixa etária: Predominam os colaboradores entre 21 e 40 anos, que representam
64% do efetivo próprio.
Escolaridade: A maior parte dos empregados do setor completou o ensino médio.
Eles representam 69% do efetivo próprio. Outros 20% dos empregados
possuem graduação em nível superior, percentual que se manteve estável nos três
últimos anos.1. Efetivo próprio por tempo de empresa (2011)
Recrutamento na comunidade local: Grandes empreendimentos, novos ou
projetos de expansão de empreendimentos existentes, geram grande expectativa de
desenvolvimento econômico na região em que se instalam, com aumento do nível
de renda da população, desenvolvimento do comércio e da infra estrutura, além de
outros benefícios para a localidade. Associados aos impactos inerentes a grande
parte das atividades econômicas, um dos reflexos mais esperados da operação de
atividades como a siderurgia é a grande geração de empregos diretos e indiretos na
região onde as usinas se instalam.
Treinamento e desenvolvimento: Todas as empresas do setor mantêm programas
estruturados de capacitação e treinamento de seus empregados.
38
Esses programas abrangem aspectos técnicos, comportamentais e
gerenciais, e acompanham iniciativas de apoio à educação formal (financiamento de
cursos de graduação, pós- graduação e MBA) dos colaboradores.
Todas as empresas associadas mantêm também programas de avaliação de
desempenho e desenvolvimento de carreira de seus empregados.
Em 2011, o investimento em educação, treinamento e desenvolvimento das
empresas associadas foi de aproximadamente R$ 60,5 milhões, valor 2,5% maior
que no ano anterior.
Remuneração e benefícios: A folha de pagamento das empresas do setor em
2011, foi cerca de 20% superior ao ano anterior.
No geral, a média do menor salário praticado, em 2011, pelas empresas
associadas foi de R$ 915,24, valor cerca de 70% superior ao salário mínimo
nacional no período.
Esse valor inclui gastos com alimentação, previdência privada, saúde,
subsídio à educação, cultura, participação nos lucros e resultados e outros, como
moradia, creche e auxílio-creche, recreação e lazer.
Entre os benefícios voluntários oferecidos por todas as empresas associadas
aos seus empregados estão o seguro de vida e o plano de saúde. Outros benefícios
oferecidos pelas empresas são: auxílio na compra de medicamentos, cesta básica,
previdência privada, auxílio para creches e a possibilidade de aquisição de ações.
Ben
Saúde e segurança: O processo siderúrgico compreende atividades que podem
envolver algum nível de periculosidade. As empresas do setor mantêm comitês
formais de saúde e segurança que auxiliam na implementação e monitoramento de
programas de segurança ocupacional que abrangem 100% dos colaboradores do
setor.
Esses comitês auxiliam na prevenção de acidentes e são os responsáveis por
treinar os colaboradores nos procedimentos adequados de segurança.
Além do contato direto com as áreas, os comitês utilizam de estatística para
melhor direcionar seus trabalhos. Para isso, todas as empresas mantêm
procedimentos específicos para registro e notificação de acidentes. Essas
notificações envolvem o levantamento das causas da ocorrência e levam ao
desenvolvimento de medidas preventivas para evitar que o acidente se repita.
39
Todos os grupos mantêm programas de aconselhamento e controle de riscos
relacionados a doenças graves, sendo que algumas empresas estendem esses
projetos a terceiros, familiares e comunidade. Os programas variam de empresa
para empresa, incluindo atividades como aconselhamento nutricional, prática de
atividades físicas, orientação relacionada a problemas posturais, doenças
sexualmente transmissíveis, dependência química, planejamento familiar e
orientação às gestantes.
__________________________________________________________________
Texto 2.2 –
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7ominas.
Açominas
Tipo: Siderurgia
Fundação: 12 de setembro de 1963
Sede: Porto Alegre – RS
Locais: Ouro Branco – Congonhas
Proprietário: Gerdau S.A.
Presidente: André Gerdau Johannpeter
Industria: Aço
A Gerdau Açominas é uma das mais importantes siderúrgicas do Brasil,
iniciou sua operação em 1986. Sua usina “Presidente Artur Bernardes”, localizada
nos municípios de Ouro Branco e Congonhas, na região do Alto Paraopeba, em
Minas Gerais.
É a maior unidade siderúrgica da Gerdau. Seu mix de produtos é formado por
tarugos, placas, blocos, perfis estruturais laminados de abas paralelas, fio-máquina,
além de produtos carboquímicos. A unidade exporta em torno de 70% de sua
produção para mais de 40 países, consagrando-se como uma das maiores
exportadoras de aço do Estado de Minas Gerais e do País.
40
História
1924 – O presidente da república Arthur Bernardes assina decreto que
autoriza a criação de uma siderúrgica no Vale do Paraopeba. A autorização
foi renovada em 12/09/1963.
1976 – É definida a localização da usina. O presidente da república Ernesto
Geisel crava a estaca inicial simbólica da usina, no alto da serra de Ouro
Branco. O governador Aureliano Chaves assina o decreto declarando de
utilidade pública e interesse social a área onde será implantada a usina. É
assinado em Londres, pelo presidente da república, Ernesto Geisel, um
memorando de entendimentos com um grupo europeu, assegurando recursos
externos para a implantação da usina. Começam a chegar as primeiras
máquinas para início das obras de terraplanagem.
1977 – Iniciam-se as obras de engenharia civil do alto-forno.
1978 – Marca a chegada dos primeiro equipamentos à usina, vindos da
Inglaterra. As obras de montagem começaram em junho. No pico das obras,
22.000 homens trabalharam no local.
1986 – O presidente da República José Sarney inaugura a Usina Presidente
Arthur Bernardes, em Ouro Branco.
1991 – É lançado o plano de privatização das siderúrgicas estatais.
1993 – Açominas é privatizada. O leilão é vencido pelo consórcio formado
pela CEA, Grupo Mendes Júnior, Banco Econômico, BCN, BEMGE/Credireal,
CVRD e Aços Villares. Primeiro acordo de acionistas garante o controle
acionário da empresa para o Grupo Mendes Júnior e o CEA.
1995 – Saída do Grupo Mendes Júnior.
1997 – O grupo Gerdau e a Natsteel passam a participar da sociedade.
2002 – O grupo Gerdau compra ações da Natsteel e assume posição
majoritária no controle acionário da Açominas.
2003 – A Açominas e o grupo Gerdau anunciam a integração de seus ativos
financeiros, criando a Gerdau Açominas S/A.
2004 – Começam estudos para duplicação da Usina, que prevê investimentos
totais da ordem de US$ 1,2 bilhão.
2006 – A empresa inicia no seguimento de mineração, com as Minas Miguel
Burnier e Varzea do Lopes (Ferro) e Mina Dom Bosco (Manganês), todas as
41
minas minas ficam num entorno de 100KM da usina, e anteriormente eram de
propriedade do Grupo Votorantim.
2007 – a Gerdau compra o restante das ações em poder do CEA. É iniciada a
produção do Alto-forno II, e juntamente com a Sinterização II, Coqueria II,
Lingotamento contínuo de blocos.
___________________________________________________________________
4.3 - Atividade nº 3: O que tem de diferente entre os esquemas?
Sabemos é mais fácil aprender pelas diferenças do que pelas semelhanças e,
baseado nesse fato, esta atividade explora a observação das diferenças e
semelhanças entre os desenhos dos alunos e um esquema de um AF. Nessa
confrontação das diferenças e semelhanças os estudantes ludicamente vão
tomando conhecimento das partes que compõem um AF.
Objetivo: Direcionar os estudantes para as partes que compõem o alto forno,
fomentando discussão entre o desenho do aluno e um esquema de um AF e
problematizar conhecimentos sobre um AF.
Desenvolvimento da atividade:
A sugestão é dividir a turma em grupos de 3 a 5 alunos para haver
questionamento entre eles. Cada grupo deverá receber uma figura de AF desenhado
por um aluno, não pertencente ao grupo, e as cinco figuras a seguir (fig. 4, 5, 6, 7 e
8). E os grupos devem identificar as diferenças entre o desenho do aluno e as
figuras de AF.
42
Figura 4 – Vista parcial de Alto-Forno
Fonte: FONSECA, 2009,
Disponível em: http://juliana-fonseca.blogspot.com.br/2009/06/alto-forno.html.
Figura 5 – Vista de Alto-Forno
Fonte: FONSECA, 2009,
Disponível em: http://juliana-fonseca.blogspot.com.br/2009/06/alto-forno.html.
43
Figura 6 – Vista de Alto-Forno internamente
Fonte: RIZZO, 2009, p.35
Figura 7 – Esquema de operação de Alto Forno
Fonte: MSPC - Informações Técnicas. Ferros & aços I-10. <http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco110.shtml>. Acessado em junho 2012
44
Figura 8 – Partes de Alto-Forno
Fonte: RIZZO, 2009, p.196
Encaminhamento da discussão:
Um ponto crucial nesta atividade é a escolha das figuras de AF. O professor
poderá utilizar outras figuras, sendo importante escolher aquelas que mostram o AF
internamente e externamente. Que sejam figuras coloridas que denotam partes mais
quentes ou frias pela cor. Se possivel, escolher figuras com identificação de partes
ou processos que auxiliem o entendimento dos alunos.
Em nossa experiência os alunos não sentiram motivados pela dificuldade em
identificar diferenças e semelhanças entre as figuras de AF desenhada pelo aluno e
os esquemas de AF. Foi preciso o auxilio do professor para compreender o
significado de diferença e de semelhança entre as duas diferentes representações.
Embora dificil, essa atividade deve ser desenvolvida, pois as próximas
atividades dependem dessas respostas dos alunos.
4.4 - Atividade nº 4: O que entra e sai de um alto forno?
Nesta atividade se inicia o estudo do funcionamento do AF, começando por
uma visualização global do mesmo, focando principalmente as partes do AF e não
os processos internos. Partindo da localização do lugar em que é despejado o
material a ser transformado e do local em que o ferro gusa escorre ao passar pelos
45
processos realizados no interior do AF, identificam-se apenas os caminhos e os
estados físicos da matéria de entrada.
A maioria dos estudantes sabe que entra minério e sai aço, entretanto as
características de outros componentes da carga de entrada e também a
diferenciação entre ferro e aço são desconhecidos. Assim, nesta atividade identifica-
se a composição da carga de entrada e o tipo de ferro obtido na saída do AF.
Objetivo: Obter uma visão geral do funcionamento de um AF, identificando o
material de entrada, seu caminho no interior do mesmo e caracterizando sua saída
como ferro-gusa.
Desenvolvimento da atividade:
Para desenvolver esta atividade devem ser escolhidos desenhos de alunos e
comentários de colegas que fazem referências ao local de entrada do material de
carga e/ou de saída do mesmo. Os dois quadros (Quadro 3 e Quadro 4) são
exemplos de desenhos dos alunos com o “comentário do grupo” que analisou o
respectivo desenho.
Quadro 3 – Comentário sobre diferenças de temperatura
Comentário do Grupo: Podemos perceber no esquema que as
diferenças de temperatura estão bem representadas e quanto o
do aluno não, o esquema está mais detalhado, o aluno está mais
simples e menos representativo.
Fonte: O autor
46
Quadro 4 – Comentário sobre desenho de aluno
Comentário do grupo: Onde é o alimentador o aluno desenhou uma
saída de fumaça. O aluno também representou um tipo de saída do
material que se encontra no AF que não foi colocado no lugar certo,
mas da pra ver que ele tem uma noção do que é um AF.
Fonte: O autor
Sugestão de desenvolvimento da atividade:
I- Formar grupos de 3 ou 4 alunos. Distribuir cópias do material semelhante aos dos
quadros 3 e 4 para cada grupo e solicitar que os leiam os comentários dos grupos.
II- Projetar o esquema da Figura 7, da atividade anterior (figura analisada pelos
grupos para elaborar os comentários).
Figura 9 – Esquema de Alto-Forno
Fonte: MSPC - Informações Técnicas. Ferros & aços I-10. <http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco110.shtml>. Acessado em junho 2012
47
III- Solicitar para que os grupos respondam:
Q1- O minério é colocado por cima mesmo? Por quê?
Q2- De onde sai este material? Por quê?
IV- A seguir, propor a leitura dos Textos 4.1 e 4.2, que se encontram no final dessa
atividade. Pedir para que respondam as questões:
Q3 - Veja que o AF é alimentado por uma mistura de minério de ferro+coque +
calcário. Que material é cada um deles? Qual a necessidade desta composição?
Q4- Veja que do AF saem o ferro-gusa e escória. Que material é cada um deles?
Q5- Que outras substâncias são produzidas no interior do AF? O que acontecem
com elas?
Encaminhando a discussão:
A aplicação em sala de aula mostrou que as questões 1 e 2 não apresentam
dificuldades. Os grupos facilmente concordarão que o minério entra pelo topo e que
o ferro-gusa sai pela parte de baixo do AF e que há aumento na temperatura ao ir
descendo o AF.
As questões 3 e 4 podem apresentar dificuldades pela falta de compreensão
dos textos que tratam da composição do minério de ferro e do ferro-gusa. A maior
dificuldade pode ser encontrada na compreensão da necessidade da composição:
minério de ferro + coque + calcário no processo de fabricação do ferro-gusa. Para
que o encaminhamento da aula não seja insatisfatório, será necessário cuidado
maior na leitura do Texto 4.1, chamando a atenção para esta composição de
materiais.
A leitura do Texto 5, não deverá apresentar dificuldades de entendimento por
ser de caráter mais informativo.
_________________________________________________________________
Texto 4.1
Materiais da carga do Alto-Forno
Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado
48
A matéria prima do ferro-gusa entra pelo topo na temperatura ambiente. Os
componentes (dos Altos-Fornos da Gerdau Açominas) são:
Matéria prima - Minério de ferro - 87% de sinter e 13% de granulado (veja
figura 9 a seguir);
Combustível/redutor sólido - coque e finos de carvão3;
Fundentes - cal, calcário, quartzo ou quartzito, dolomita, dunito, serpentinito.
Figura 10 - Exemplos das matérias primas ferrosas. Minério de ferro granulado
(in natura) e sinter.
Fonte: RIZZO, 2009, p. 84
Definições de alguns termos usados em mineração e geologia
(E.M.S.Rizzo,p. 67- 68)
Minério - é toda rocha constituída de um mineral ou agregado de minerais contendo
um ou mais minerais valiosos, possíveis de serem aproveitados economicamente.
Agregado de mineral-minério e ganga que, no estado atual da técnica, pode ser
utilizado para extração econômica de um ou mais metais.
3 A técnica de injeção finos de carvão (carvão pulverizado) pelas ventaneiras é um dos processos
mais utilizados para a redução do consumo de coque. Com isso, a produção de ferro-gusa torna-se
mais econômica.
49
Mineração - conjunto de procedimentos para descobrir, estudar, avaliar e extrair as
substâncias minerais úteis existentes na superfície ou no interior da terra. Abrange
quatro fases: prospecção, exploração, desenvolvimento e lavra ou explotação.
Ganga – denominação utilizada para o mineral ou conjunto de minerais não
aproveitados de um minério por não apresentarem valor econômico ou com pequeno
valor, nas condições atuais de mercado e/ou tecnologia.
Lavra - conjunto de operações necessárias à extração industrial das substâncias
minerais ou fósseis de uma jazida;
Rocha - material natural consolidado da crosta terrestre, formado essencialmente de
minerais;
Mina - Jazida em lavra, ainda que suspensa e/ou paralisada; correspondente ao
conjunto constituído pela jazida e instalações necessárias à produção de minério ou
seus concentrados.
O minério de ferro
Os minérios de ferro são rochas como a hematita, magnetita, siderita entre
outras com grande teor de ferro.
A utilização do minério de ferro é feita normalmente de duas formas: minérios
granulados (veja figura a seguir) e minérios aglomerados. Os granulados são
lançados diretamente nos Altos-Fornos de redução4, enquanto os aglomerados são
minérios finos (granulometria pequena) que precisam sofrer o processo da
aglomeração. Os principais processos de aglomeração são a sinterização para
obtenção do sinter (veja figura a seguir) e a pelotização para obtenção de pelotas.
Nos Altos-Fornos da Gerdau Açominas não se usa minério de ferro na forma de
pelotas.
São feitos testes de resistência ao sinter e ao granulado para suportarem ao
manuseio e transporte, até mesmo referente ao movimento dentro do AF.
Dentro do AF o minério pode sofrer o fenômeno da crepitação que consiste
nele não suportar ao choque térmico e sofrer fragmentação.
4 Redução é a reação química de retirada do oxigênio do óxido de ferro. As reações de Redução dos
Oxidos de Ferro podem ser resumidas assim: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3CO2
50
As medidas granulométricas do minério devem ser mantidas para uma boa
movimentação dos gases dentro do AF e não comprometer a produção do ferro-
gusa.
O coque
É o carvão mineral metalúrgico que sofre transformação para ser usado no AF
(Fig.4.2). Nem todos os carvões minerais transformam-se em coque.
Os elementos presentes no coque: carbono fixo = 88%, voláteis = 0,8%, cinzas =
10%, enxofre = 0,7% e umidade = 2,0%. O enxofre é o que mais merece atenção, na
medida em que é altamente prejudicial às qualidades do aço.
Algumas atuações do coque.
Como combustível - quando acontece a combustão do coque há grande liberação
de calor que funde e aquece os materiais.
Como redutor - o CO obtido serve par retirar o oxigênio do sinter e do material
granulado.
Como agente estrutural e permeabilizador - o coque é sólido e permeável a
temperatura superior a 2000 ºC, e forma uma base de sustento da carga e facilita na
boa ascendência dos gases e descida do ferro e escória líquidos para baixo.
Por ter baixa densidade o coque ocupa o maior volume no AF e apresenta um
poder calorífico de 7009,20 cal/kg.
O ato de fazer o beneficiamento no carvão mineral transformando em coque
chama-se coqueificação e que o torna adequado par o uso no AF.
51
Figura 11 - Coque com granulometria adequada (a), e com excesso de finos (b).
Fonte: RIZZO, 2009, p.120
Fundente
É a substância que auxilia no processo de fusão dos metais.
Cal
É um fundente que adicionado ao AF evita a formação da ganga no ferro-
gusa. As gangas contem impurezas como a sílica (ponto de fusão 1710 ºC) e
alumina (ponto de fusão 2030 ºC). Quando forma ganga no gusa aumenta sua
viscosidade e dificulta sua saída do forno. E quando se adiciona cal (fundente) o
novo composto formado apresenta menor ponto de fusão, acarretando liberdade de
saída.
Calcário
São rochas constituídas essencialmente de carbonato de cálcio (CaCO3) e
matéria prima principal da cal.
É substância adicionada ao AF com o propósito de retirar as impurezas
existentes no metal (por exemplo, óxidos) e de tornar a escória mais fluida.
_____________________________________________________________________________________________
52
Texto 4.2
Substâncias produzidas no Alto-Forno
Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado
Ferro-Gusa
É o ferro que é obtido diretamente do AF, é considerado como uma liga de
ferro e carbono, contendo de 2,11 a 5,00 % de carbono e outros elementos ditos
residuais, como silício, manganês, fósforo e enxofre.
É a principal substância produzida no Alto-Forno. É transportado para Aciaria
(local da siderúrgica onde existem máquinas e equipamentos que transformam o
ferro-gusa em diferentes tipos de aço) no estado líquido para fabricação do aço.
O ferro-gusa líquido e a escória obtida no AF são recolhidos, e por diferença
de densidades são separados no canal de material refratário, indo o gusa para os
carros torpedo seguidamente para a aciaria e a escória para o poço ou granulador
de escória.
Os carros torpedo têm forma cilíndrica de extremos de tronco de cone e são
basculáveis. Seu interior é de material refratário tendo a capacidade de manter o
gusa líquido em tempos superiores a 30h. Conforme a sua geometria perde pouco
calor para o ambiente e cada carro torpedo transporta 500 toneladas de ferro-gusa
líquido.
E nesse transporte do ferro-gusa líquido, é dado um superaquecimento no
gusa estando ele ainda no cadinho para que ele não venha a solidificar no carro
torpedo.
Gás de Alto-Forno
O volume de gás gerado no AF é muito grande e eles não são jogados na
atmosfera para não poluir o ar. São limpos para depois serem usados. Nesse
processo de limpeza coleta-se pó e lama que são usados posteriormente. Ao serem
limpos reduz-se a porção de partículas do gás para se enquadrar a legislação
ambiental da região.
53
Pó de Alto-Forno
O gás de AF é volumoso e contém muitas partículas sólidas.
Um dos processos de purificação é a sedimentação a seco, onde a
substância mais densa fica no fundo do balão gravimétrico (primeiro instrumento de
limpeza dos gases que saem do AF). No material retido 25 a 40% é Fe, 40 a 45% C,
5 a 7% de SiO2 e de 2 a 4% de CaO. Mas essa porcentagem varia de acordo com a
substância empregada no AF.
A quantidade de pó produzido num AF a coque ( em vez de carvão vegetal) é
de 6 a 17 kg/t de ferro-gusa produzido.
Depois que o gás de AF sofreu o primeiro processo de limpeza - a
sedimentação a seco, acontecerá a lavagem dos gases, nos venturis (outro
instrumento de Limpeza dos gases que saem do AF), formando a lama de AF.
Estudos afirmam que de 30 a 50% das partículas do GAF deposita na lama.
Num AF a coque (em vez de carvão vegetal) forma de lama 3 a 5 kg/t de
ferro-gusa obtido.
O pó de AF é usado na sinterização e também vendido para fábricas de
cimento.
A lama também pode ser vendida para fábrica de cimento, para fábricas de
tijolos e telhas, pois devido a alta concentração de carbono favorece uma menor
quantidade de calor no cozimento das telhas ou tijolos, proporcionando economia de
combustível.
Escória de Alto-Forno
A quantidade de escória e sua composição química dependem diretamente
da matéria prima usada no AF.
Para AF a coque a massa de escória é normalmente de 250 kg/t de ferro-
gusa e de 100 a 220 kg/t de ferro-gusa para AF a carvão vegetal.
O principal produto do AF é o ferro-gusa. A escória de AF, o pó de AF e o
GAF são considerados co produtos ou resíduos.
Há o interesse muito grande das usinas siderúrgicas em reciclar os resíduos e
isto é motivado pelo crescente número de ambientalistas. O processo de
armazenamento em alguns casos dispensa altos recursos financeiros.
54
Também a ISO 14 000 estimula a reciclagem desses resíduos oriundo do AF.
__________________________________________________________________
4.5 - Atividade nº5 : Temperaturas no interior do alto-forno
Nesta atividade o foco será o interior do AF, em particular a questão das
diferentes temperaturas, tanto em relação aos seus valores, quanto às relações
entre temperatura e cor. O aspecto a ser ressaltado nos valores da temperatura no
interior de um AF é o estabelecimento das temperaturas para que todo o sistema
funcione de forma adequada. O estudo da relação entre cor e temperatura,
raramente explorada no ensino básico, é uma importante ferramenta para avaliação
de temperaturas em nosso cotidiano.
Objetivos: compreender a importância das diferentes temperaturas no interior do AF
para o adequado funcionamento do mesmo, relacionando o estado físico da matéria
com sua temperatura. Desenvolver a capacidade de avaliar temperatura pela cor de
luz observada.
Desenvolvimento da atividade:
A proposta de desenvolvimento é semelhante à atividade anterior, utilizando
como ponto de partida os desenhos dos alunos e comentários dos grupos; produtos
da primeira e terceira aula respectivamente. Escolher 2 ou 3 exemplares que fazem
referências ao interior do AF, em particular aos diferentes valores de temperatura e
cores de luz. Os quadros seguintes (Quadro 5 e Quadro 6) são exemplos que
indicam a natureza dos desenhos que propiciam o desenvolvimento proposto.
55
Quadro 5 – Comentário sobre o desenho da entrada de gusa
Comentário do grupo: No desenho do aluno ele explica o processo com suas palavras mostrando a entrada de gusa até a formação do aço de um modo simplificado, sem mínimos detalhes. Já o desenho do verdadeiro AF; mostra as diversas formas do AF, demonstra a transportação do minério de ferro até o alimentador e logo depois há uma injeção de ar que a medida que o ferro vai caindo a temperatura vai aumentando e no final ocorre a separação do ferro-gusa e da escória.
Fonte: O autor
Quadro 6 – Comentário sobre gases do AF
Comentário do grupo: No desenho do aluno a representação de fogo só tem uma temperatura, mas no AF de verdade as cores indicam variação na quantia de calor. No AF os gases do processo são liberados através de uma tubulação e no desenho do aluno eles vão direto para a atmosfera. No desenho do aluno o AF é uma estrutura simples enquanto que na verdade ele é muito complexo.
Fonte: O autor
56
Sugestão de encaminhamento da atividade:
I- Formar grupos de cerca de 4 alunos.
II- Distribuir cópia do material que tem elementos do Quadro 5, selecionado pelo
professor, para cada grupo e iniciar pela leitura do comentário do grupo ( material
obtido da atividade 3).
III - Solicitar para que cada grupo analise o comentário do grupo sobre o desenho e
faça comentários. Para exemplificar, a correção do grupo sobre o desenho do
Quadro 5 permite focar a presença de um alimentador, a injeção de ar, o aumento
de temperatura em níveis mais baixo do AF e a separação em escória e ferro-gusa.
III – Solicitar a leitura do texto 5.1e respostas às questões que seguem.
Q2- É correto afirmar que à medida que o minério vai caindo a sua temperatura vai
aumentando? Explique porque ocorre esta variação de temperatura.
Q3- Em qual zona se dá essa injeção de ar? Onde ela se situa no AF? Qual a
necessidade do ar injetado?
Q4- Calcule a velocidade do ar que é injetado pela ventaneira em km/h. E, a pressão
em atmosfera e depois em metros de coluna de água.
IV- Distribuir cópia de material (desenho do aluno + comentários) que tem elementos
sobre as cores no interior do AF, como exemplificado no Quadro 6. Solicitar que
leiam e analisem os comentários do grupo sobre o desenho. Na discussão abordam
a questão da cor e temperatura.
V- Solicitar a leitura do Texto 5.2 e respostas às questões:
Q5- É correto afirmar que diferentes as cores no interior de AF indicam diferentes
temperaturas?
Q6– Utilizando lápis de cor, pinte o interior de um AF com as cores correspondentes
às temperaturas de cada região.
57
Figura 12 – Esquema de Alto-Forno para o aluno colorir
Fonte: O autor
Q7- Compare as cores de sua figura com as da Figura 12: são semelhantes?
Comente.
Q8- Faça uma estimativa da temperatura do (a):
- Sol.
- Chama de vela.
- Chama de fogão.
- Brasa de carvão.
Encaminhamento da discussão
Em nossa aplicação, esta atividade foi bastante interessante, com
participação intensa dos alunos. Este fato pode levar à falta de tempo para a leitura
dos dois textos. Uma sugestão é a leitura compartilhada dos textos, em que cada
aluno lê um pouco e o professor faz uma breve explicação; isso evitará que os
alunos demandem, ao mesmo tempo, a presença do professor, para tirar dúvidas.
As principais dificuldades presentes em nossa aplicação foram: a
interpretação dos comentários dos grupos sobre os desenhos dos alunos; a
necessidade do ar injetado no AF e, principalmente, os cálculos propostos na
questão Q4.
58
__________________________________________________________________
Texto 5.1
Zona de combustão
Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado
Em frente às ventaneiras situa-se a região da zona de combustão (veja Figura
15). O ar aquecido injetado pelas ventaneiras queima o coque, originando gás e
enorme quantidade de calor. E esse gás que sobe transfere calor para a carga que
desce e promove reações de redução5 .
Também é uma região conhecida por ser parcialmente vazia em virtude da
grande energia cinética do sopro de ar quente proporcionado pelas ventaneiras a
uma velocidade de 180 a 280 m/s e pressões de 3 a 5 kgf/cm2. O gás CO formado
nessa região apresenta temperatura de 2100 a 2300 ºC.
Sobre a zona de combustão (E.M.S. Rizzo P.30) escreve:
Em relação à dimensão da zona de combustão sugere-se que esta é mantida pelo equilíbrio dinâmico do processo, onde a camada de redutor, acima da zona de combustão, permanece em fluidização incipiente
6, tal que a força de arraste do gás seja igual ao peso da
carga acima.
Após passarem pela região do homem morto7, última fase sólida, as
substâncias derretidas se depositam no cadinho, que são o ferro-gusa e escória.
Pelos furos do AF a escória e o ferro-gusa são vazados e passam por um canal de
material refratário com desnível onde se separam por diferença de massa
específica, indo a escória para um poço onde é granulada com jatos
d água a alta pressão e o ferro-gusa para os carros torpedo.
A retirada do ferro-gusa e da escória do cadinho deve ser regular e altamente
controlada. Pois, havendo acúmulo em excesso de ferro-gusa e escória, afetará a
zona de combustão e até mesmo a descida da carga torna-se irregular e lenta,
causando superaquecimento e até derretimento das ventaneiras.
5 Redução é a reação química de retirada do oxigênio do óxido de ferro. As reações de Redução dos
Oxidos de Ferro podem ser resumidas assim: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3CO2. 6 Fluidização incipiente é o movimento da matéria com velocidade mínima.
7 A
região do homem morto
corresponde a região de coque que ainda se encontra sólido e não vai em
direção as ventaneiras, vai ser fundido pelo ferro-gusa do cadinho.
59
A zona de maior temperatura no AF é a de combustão, a partir daí o calor vai
se propagando para outras regiões.
Figura 13 – Divisões de Alto-Forno
Fonte: RIZZO, 2009, p. 27
__________________________________________________________________
Texto 5.2
Cor, Energia e Temperatura8
A chama da vela, como você deve ter observado, não é homogênea, pois
apresenta regiões com cores diferentes. Nessas regiões as temperaturas não são as
mesmas: a azul é a região mais quente.
8 Adaptado de: LEITURA 10: Fontes de luz (e de calor), Leituras de Física, Ótica, GREF: Instituto de
Física da USP. Site: www.if.usp.br/gref/.
60
Figura 14 – Chama da vela
Fonte: ALVES, Líria. Qual é o estado físico do fogo? Equipe Brasil Escola. 03/2012. Disponível em: < http://educador.brasilescola.com/estrategias-ensino/qual-estado-fisico-fogo.htm>.
Acessado em: 10/2012.
Nas lâmpadas incandescentes o filamento, que é aquecido pela corrente
elétrica, emite luz de cor branca amarelada. Com esse tipo de lâmpada dificilmente
conseguimos ver várias cores, como as que vemos, por exemplo, na chama de uma
vela, pois a temperatura em todo o filamento é praticamente a mesma. Também
podemos ver o filamento da lâmpada incandescente com uma tonalidade vermelha,
amarela ou mesmo branca.
Estes exemplos nos mostram a luz associada ao calor. Aliás, uma das formas
de calor é a radiação não visível, chamada infravermelha, que vem junto com a luz
visível, especialmente na ocorrência de altas temperaturas.
A chama da vela e o filamento da lâmpada são exemplos de produção de luz
visível, em razão das altas temperaturas presentes na combustão da vela e no
filamento com corrente elétrica.
As lâmpadas incandescentes, de 60W ou 100W, quando ligadas na tensão
correta emitem luz branco amarelada.
Mas às vezes acontece de ligarmos uma dessas lâmpadas numa tensão
elétrica inadequada, e nesse caso sua luminosidade se altera.
Se a ligamos numa tensão acima daquela especificada pelo fabricante, seu
filamento emite uma intensa luz branca azulada, mas apenas por alguns instantes,
"queimando-se" em seguida.
Se a ligamos numa tensão menor do que a especificada em seu bulbo, a luz
emitida é de cor avermelhada.
61
Nas duas situações as energias envolvidas são diferentes, estando a luz
avermelhada associada à menor delas [menor tensão elétrica], e a luz branco
azulada, à maior. Essas observações nos revelam que as cores avermelhada,
branca amarelada e branca azulada, emitidas pelo filamento, estão na ordem das
energias crescentes.
A chama de uma vela também apresenta regiões com cores diferentes, cada
uma associada a uma determinada temperatura. A região mais quente da chama é
aquela que apresenta uma luz azulada.
As regiões da chama com luz amarela e laranja estão associadas a
temperaturas menores.
O centro da chama é azul, pois a região em direta proximidade com a
combustão é a mais quente.
Quando um corpo vai sendo mais e mais aquecido, emite radiação visível,
inicialmente com uma cor vermelho alaranjada, depois um vermelho mais brilhante
e, a temperaturas mais altas, uma cor branca azulada.
Com o aumento da temperatura o corpo emite mais radiação, e a cor da
radiação mais intensa é a que prevalece.
A relação aproximada entre temperatura e cor é mostrada no quadro a seguir.
Quadro 7 – Temperatura e cor
Temperatura (oC) Cor
~1100 Vermelho
~2200 Laranja
~3400 Amarelo
acima de 10000 azul/branco
Fonte: INSTITUTO DE FÍSICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. Cor e
temperatura. Adaptado. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/~leila/cor.htm. Acessado em:
10/2012.
_________________________________________________________________________________
62
4.6 - Atividade nº 6: As transformações do minério de ferro
Nas atividades anteriores foi identificado que granulados e sínter de minério
de ferro são introduzidos pela parte mais alta do AF e que o ferro-gusa, material
líquido, resultante dos processos que ocorrem no seu interior, é obtido da parte
inferior do mesmo. Esta atividade se propõe ao estudo desses processos internos,
enfatizando os termodinâmicos que envolvem pressão e temperatura e, em
particular, as mudanças de estado físico das substâncias.
Objetivos: utilizando conceitos envolvidos no fenômeno da convecção térmica e
mudanças de estado físico da matéria, compreender como ocorrem as diferentes
pressões e temperaturas no interior do AF e relacioná-los com as transformações
que ocorrem no minério de ferro no processo de obtenção do ferro-gusa.
Desenvolvimento da atividade:
Uma sugestão é iniciar por uma leitura compartilhada do Texto 6.1(O gás de
Alto-Forno), acompanhada da identificação dos locais onde estão ocorrendo os
fenômenos enfatizados no texto utilizando o esquema de um AF.
I- Para este desenvolvimento distribuir o Texto 6.1 para os estudantes e projetar o
desenho de um AF, por exemplo, a (Fig.12), do Texto 5.1 (da atividade anterior).
II – Fazer a leitura compartilhada e a cada leitura de um parágrafo, verificar a
compreensão dos alunos e mostrar no esquema do AF os locais onde estão sendo
tratados pelo texto.
III- Solicitar que formem grupos e respondam as questões abaixo.
Q1- Por que o minério não é colocado na parte inferior do AF? Argumente.
Q2- Onde e como o minério é derretido?
Q3- Se a quantidade de minério colocado no alimentador for maior do que a
quantidade planejada para o bom funcionamento do AF, o que ocorre no processo
de produção do ferro-gusa?
Q4- Se uma das ventaneiras parar de funcionar, o que ocorre na fabricação do ferro-
gusa?
IV- Distribuir o Texto 6.2 (O fenômeno da convecção) para os grupos e solicitar
respostas as questões:
63
Q5) Quando os gases são aquecidos o que acontece com a sua densidade? Qual o
movimento que os gases tendem a ter com isso? Explique por que ocorre tal
movimento.
Q6) Existem semelhanças entre: o movimento dos gases no interior do AF; o vento
que sopra de uma região para outra e o movimento do ar que ocorre ao ligar um ar
condicionado? Explique.
Discutir com a classe as respostas dos grupos.
V- Exercício para casa:
Distribuir o Texto 6.3 (Mudanças de Fases da matéria) e solicitar para que os alunos
respondam as questões abaixo.
a) Com base no Texto 6.3, quando o minério de ferro é derretido, como se chama
essa mudança de fase?
b) O Texto 6.3 afirma que: Quando uma substância está mudando de fase o valor da
sua temperatura mantém constante. Então, por que ocorre o derretimento total do
minério se a temperatura não aumenta enquanto funde?
c) Procure o valor do calor latente de fusão e de ebulição do ferro, consultando
fontes como livros, enciclopédias, internet entre outras. Indique as fontes
consultadas. Explique o significado destes dois valores.
d) Descreva 2 situações em que ocorre o fenômeno da evaporação. O que acontece
com a temperatura do liquido que evapora? Explique.
e) Dê um exemplo de situação do cotidiano em que você sabe que está ocorrendo
aumento (ou diminuição) de pressão e como consequência se tem aumento (ou
diminuição) da temperatura de ebulição.
Encaminhando a discussão:
Em nossa aplicação, a primeira questão mostrou-se importante, pois deu ao
aluno uma boa ideia de como o minério vai sendo derretido por receber calor dos
gases. A grande maioria compreendeu que se colocar minério no alimentador em
maiores quantidades do que o planejado, o processo no interior do AF ficará
comprometido com resultado final não totalmente liquido. A dificuldade apresentada
está relacionada com a explicação do fenômeno da convecção e, assim, uma
sugestão é que o professor, no início da aula leitura do Texto 6.2 - O fenômeno da
Convecção faça uma boa explanação do mesmo.
64
Para casa
Referente à atividade para casa (Texto – Mudanças de Fases da Matéria), a
Questão b), que trata da constância da temperatura no processo de fusão, em nossa
pesquisa, cerca de 90% dos alunos não responderam corretamente. Uma sugestão
é acrescentar na atividade para casa, a realização de uma experiência de
observação da temperatura em um processo de fusão – por exemplo, utilizando um
termômetro, medir a temperatura de um copo com gelo + água, em intervalos de 5
minutos, durante 20 minutos. Outra dificuldade foi na compreensão do fenômeno da
evaporação; o fato da temperatura do liquido diminuir foi bastante estranho ao aluno
e foi necessário cuidado na explicação desse fenômeno.
_________________________________________________________________
Texto 6.1
O Gás de Alto-Forno
Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado
Os gases que são obtidos nas regiões inferiores do AF através da reação de
combustão do carvão pulverizado, com o oxigênio do ar de combustão, sobem e
reagem com o minério que desce sofrendo redução9. A queima do carvão com o
oxigênio e as reações químicas que surgiram liberam calor para o minério que desce
fundindo-a.
A massa de minério que desce no AF é equilibrada pela pressão dos gases
que sobem. Se o processo for devidamente controlado, na subida dos gases eles
perdem calor para a que desce, abandonando o forno a uma temperatura de 80 a
200 ºC.
O controle da temperatura do gás de topo é importante para se saber a altura
da zona granular10. Um aumento na temperatura significa que a velocidade do gás
está sendo grande o que acarreta queda no rendimento do gás.
9 Redução é a reação química de retirada do oxigênio do óxido de ferro. As reações de Redução dos
Oxidos de Ferro podem ser resumidas assim: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3CO2. 10
Zona granular, região onde toda a carga se encontra no estado sólido. Nesta zona ocorre reação de redução dos óxidos de ferro pelo gás ascendente.
65
É necessária uma velocidade adequada dos gases para que eles tenham um
bom contato para troca de calor com a carga que desce.
O controle da pressão e da vazão dos gases que saem no topo é necessário
para o bom funcionamento do AF.
Usam-se equipamentos para controlar a fuga desses gases de dentro do AF e
manter uma pressão para sustentação e controle da descida da carga dentro do AF.
A quantidade de gases gerado no AF é muito grande. Eles não podem ser
lançados na atmosfera por possuírem substâncias químicas que fazem mal à saúde
humana. Também carregam consigo muita poeira. Esses gases são passados por
um processo de coleta e limpeza de partículas sólidas para depois serem usados em
várias partes da usina, principalmente na produção de vapor para movimentar a
turbina de topo gerando energia elétrica.
___________________________________________________________________
Texto 6.2
O Fenômeno da Convecção
Fonte: LUZ; ALVARENGA, Vol. 2, 2006 – Adaptado
A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente
nos fluidos (líquidos e gases). Diferentemente da condução onde o calor é
transmitido de átomo a átomo sucessivamente, na convecção a propagação do calor
se dá através do movimento do fluido envolvendo transporte de matéria.
A descrição e explicação desse processo é simples: quando uma certa massa
de um fluido é aquecida suas moléculas passam a mover-se mais rapidamente,
afastando-se, em média, uma das outras. Como o volume ocupado por essa massa
fluida aumenta a mesma torna-se menos densa. A tendência dessa massa menos
densa no interior do fluido como um todo é sofrer um movimento de ascensão
ocupando o lugar das massas do fluido que estão a uma temperatura inferior. A
parte do fluido mais frio (mais densa) move-se para baixo tomando o lugar que antes
era ocupado pela parte do fluido anteriormente aquecido. Esse processo se repete
inúmeras vezes enquanto o aquecimento é mantido dando origem às chamadas
correntes de convecção. São as correntes de convecção que mantêm o fluido em
circulação. Para o aquecimento ou resfriamento do ar este é o processo de
propagação do calor mais eficiente.
66
Texto 6.3
Mudanças de Fases da Matéria
Fonte: LUZ; ALVARENGA, Vol. 2, 2006 – Adaptado
Quando fornecemos calor a um corpo e sua temperatura se eleva, já
sabemos que há um aumento na energia de agitação de seus átomos. Este aumento
de agitação faz com que a força de ligação entre os átomos seja alterada, podendo
acarretar modificações na organização e separação destes átomos. Em outras
palavras, a absorção de calor por um corpo pode provocar nele uma mudança de
fase. Naturalmente, a retirada de calor deverá provocar efeitos inversos do que são
observados quando o calor é cedido à substância.
Fusão é quando um sólido cristalino, recebendo calor sua temperatura
aumenta até desfazer a organização atômica e a força entre as moléculas passa ser
menor, tornando-se um líquido.
As leis da fusão
1ª) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a fusão é bem determinada
para cada substância.
2ª) Se um sólido se encontra em sua temperatura de fusão, é necessário fornecer
calor a ele para que ocorra a mudança de estado. Essa quantidade de calor chama-
se calor latente de fusão que é característico de cada substância.
3ª) Durante a fusão, a temperatura do sólido permanece constante.
Influência da pressão na temperatura de fusão
Quando uma substância se funde, de modo geral ela aumenta de volume.
Para uma substância que tenha este comportamento, observa-se que um aumento
na pressão exercida sobre ela acarreta um aumento em sua temperatura de
fusão.
Vaporização é a passagem do estado líquido para o estado gasoso e pode
ocorrer de duas maneiras:
1º) por evaporação – quando a passagem se faz lentamente a qualquer temperatura.
67
2º) por ebulição – quando a passagem se faz rapidamente, a uma temperatura bem
determinada para cada líquido.
Evaporação
Sabemos que as moléculas de um líquido encontram-se em constante
agitação, movendo-se em todas as direções, com velocidades variáveis, desde zero
até valores muito grandes. A temperatura de um líquido é determinada pela
velocidade média de suas moléculas, sendo mais elevada para velocidades, em
média, mais altas. Em qualquer temperatura do liquido algumas moléculas, com
velocidades suficientemente elevada, ao alcançarem a superfície, conseguem
escapar do líquido. Após escaparem, elas passam a uma situação em que se
encontram muito afastadas entre si, de modo que a força entre elas é praticamente
nula, isto é, encontram-se no estado gasoso. Esse é o processo de evaporação do
líquido.
Ebulição
As leis da ebulição
1ª) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a ebulição é bem
determinada para cada substância.
2ª) Se um líquido se encontra em sua temperatura de ebulição, é necessário
fornecer calor a ele para que ocorra a mudança de estado. Essa quantidade de
calor chama-se calor latente de vaporização que é característico de cada
substância.
3ª) Durante a ebulição, a temperatura do líquido permanece constante.
Influência da pressão na temperatura de ebulição
Qualquer substância ao se vaporizar aumenta de volume. Por este motivo,
um aumento na pressão acarreta um aumento em sua temperatura de ebulição.
_________________________________________________________________
68
4.7- Atividade nº7: As paredes de um alto-forno são especiais?
O controle da temperatura é um dos grandes desafios de qualquer processo
tecnológico. Para as diferentes temperaturas envolvidas, diferentes materiais devem
ser utilizados em função do objetivo almejado. Na situação em que se deseja uma
condução do calor eficiente, os metais são um bom exemplo; na situação inversa
temos, por exemplo, os materiais porosos ou fibrosos. Esta propriedade dos
materiais, que permite menor ou maior condução do calor, caracterizada pelo
coeficiente de condutividade térmica, é um dos elementos que direciona a escolha
do material a ser utilizado nas diversas partes de um a Alto-Forno.
Objetivos: utilizando conceitos envolvidos no fenômeno da condução térmica
compreender o uso de diferentes materiais em diferentes partes de um AF devido a
altas temperaturas e grandes impactos em seu interior.
Desenvolvimento da atividade
Uma sugestão para desenvolver esta atividade é escolher inicialmente
desenhos de alunos e comentários de colegas que fazem referências ao material
das paredes do AF, como o exemplo mostrado no quadro seguinte.
Quadro 8 – Comentário – Visão do aluno de um AF
Comentário do grupo: o desenho do aluno é de uma panela em cima de uma fogueira que é aquecida derretendo o ferro. E no AF, o
esquema é composto de uma fôrma com tijolos que impede a troca de calor com o ambiente onde é derretido o minério até 1600ºC.
Fonte: O autor
69
Sugestão de encaminhamento:
I- Formar grupos de cerca de 4 alunos. Distribuir cópia de desenho e comentário de
grupo que aborda o material utilizado nas paredes do AF – como o exemplo do
Quadro 8.
I) Solicitar que os grupos leiam e discutam o comentário que acompanha o desenho.
II) A seguir solicitar que os grupos respondam.
Q1) A afirmação: “o AF é construído com tijolos que impedem a troca de calor com o
ambiente”, é verdadeira? Justifique.
Q2) Há panelas de vários materiais. Em alguns restaurantes self service nos
deparamos com a comida em panelas de pedra. Com base no Texto 7.1, qual a
vantagem de se usar panela de pedra nesta situação? E qual a vantagem de se usar
uma panela de alumínio para fazer comida?
Q3) No Texto 7.2, na região do Ventre, afirma-se que os tijolos refratários têm de
800 a 1000 mm de espessura. Com base no Texto 7.1, qual a relação entre a
espessura do tijolo refratário e o fluxo de calor?
Q4 ) Analisando (igualando) as equações 1 e 2 do Texto 7.1, explique o significado
da unidade da condutividade térmica W/mK.
Q5) Analisando o Texto 7.1, o calor pode se transferir de quantas maneiras? Cite-as.
A parede do AF evita transferência de calor por qual(is) processo(s)? Justifique.
Encaminhando a discussão:
Como nas atividades anteriores, como foi observada em nossa aplicação, a
leitura compartilhada dos textos, foi bastante produtiva. O Texto 7.1 apresentou
dificuldades de compreensão e foi necessário um cuidado maior nas explicações. No
Texto 7.2, foi necessário enfatizar que a estrutura física do AF é de aço, bom
70
condutor de calor, mas ela é externa; internamente o material é mal condutor de
calor.
Também foi necessário enfatizar a relação inversa do fluxo de calor com a
espessura. Entretanto, a maior dificuldade ocorreu na questão 4, quando se exigiu
operação matemática.
__________________________________________________________________
Texto 7.1
Transferência de Calor
Fonte: LUZ; ALVARENGA, Vol. 2, 2006 – Adaptado
Na atividade anterior (Atividade 6) foi analisada a transferência de calor por
convecção, na qual o aquecimento da parte superior é resultante da subida do ar,
menos denso, pelo aquecimento do mesmo na parte inferior do AF. O processo de
convecção é o responsável pela maior parte do calor transferido através dos fluidos.
Acontece que quando o fluido recebe calor sua densidade diminui fazendo com que
o fluido vá para a parte mais elevada.
Outra maneira de transferir calor é por condução, fenômeno que ocorre
devido uma diferença de temperatura entre dois locais, sem deslocamento de
matéria. O processo de condução é o responsável pela maior parte do calor
transferido através de sólidos.
1º) Condução Térmica
Estudo qualitativo
Suponha que uma pessoa esteja segurando uma das extremidades de uma
barra metálica e que a outra extremidade seja colocada em contato com uma
chama. Os átomos ou moléculas desta extremidade, aquecida pela chama,
adquirem uma maior energia de agitação. Parte desta energia é transferida para as
partículas da região vizinha a esta extremidade e a temperatura desta região
também aumenta. Após certo tempo, a pessoa que segura a outra extremidade
perceberá uma elevação de temperatura neste local.
71
Houve uma transmissão de calor ao longo da barra, que continuará enquanto
existir uma diferença de temperatura entre as duas extremidades. Esta transmissão
foi feita pela agitação dos átomos da barra, transferida sucessivamente de um para
outro, sem que estes átomos sofressem translação ao longo do corpo. Este
processo de transmissão de calor é denominado condução.
Dependendo da constituição atômica de uma substância, a agitação térmica
poderá ser transmitida com maior ou menor facilidade, fazendo com que esta
substância seja boa ou má condutora de calor. Para melhor caracterizar as
diferenças entre os materiais em relação à condução e isolamento térmicos, define-
se uma propriedade denominada de condutividade térmica.
Tabela 2 – Condutividade térmica
Fonte: YOUNG, Hugh D., University Physics, 7th Ed. Table 15-5. Disponível em:
http://fep.if.usp.br/~profis/experimentando/diurno/downloads/Tabela%20de%20Condutividade
%20Termica%20de%20Varias%20Substancias.pdf. Acessado em: 11/2012.
Substâncias Condutividade
térmica*
(W/mK)
Aço 50,2
Água a 20oC 0,6
Aluminio 205,0
Ar a 0oC 0,024
Concreto 0,8
Ferro 79,5
Lã (novelo) 0,04
Madeira 0,12 - 0,04
Tijolo 0.9-1.2
Vidro 0,8
72
Estudo quantitativo do fluxo de calor
Considere dois corpos mantidos em temperaturas fixas T1 e T2, tais que T2
seja maior que T1. Unindo estes corpos por uma barra de secção uniforme de área A
e de comprimento L, haverá condução de calor, através da barra, do corpo mais
quente para o mais frio. O quociente da quantidade de calor ΔQ que passa na barra
pelo intervalo de tempo Δt é denominado fluxo de calor (Φ) através daquela secção,
isto é,
Φ = ΔQ/ Δt (1)
Se a barra for envolvida por um isolante térmico e mantida a mesma diferença
de temperatura, verifica-se que depois de certo tempo ela atinge uma situação
denominada regime estacionário, que é caracterizado por ter o fluxo de calor o
mesmo valor em qualquer secção da barra.
Verifica-se experimentalmente que o fluxo de calor Φ é:
1º) diretamente proporcional à área da secção reta da barra.
2º) diretamente proporcional à diferença de temperatura entre as extremidades da
barra.
3º) inversamente proporcional ao comprimento da barra.
Temos:
Φ = k A (T2 – T1)/L (2)
A constante K é característica do material de que é feita a barra e se
denomina condutividade térmica da substância.
2º) Radiação Térmica
A transferência de calor por condução e por convecção exige a presença de
um meio material para que ocorra. A radiação térmica, ao contrário, pode se fazer
através do espaço vazio e é por este motivo que a radiação emitida pelo Sol chega a
73
Terra. A radiação térmica é um tipo de onda eletromagnética, de frequência menor
que da luz visível. Qualquer corpo emite radiações térmicas, não sendo necessário
que sua temperatura seja tão elevada quanto a do Sol.
Quando certa quantidade de energia radiante incide em um corpo, de modo geral
parte dela é absorvida pelo corpo, outra parte é transmitida através dele e a parte
restante é refletida.
Assim como a parede espelhada de uma garrafa térmica evita a propagação
de calor por radiação, os tijolos refratários usados nos Altos Fornos ajudam a evitar
a propagação de calor por radiação e também por condução.
__________________________________________________________________
Texto 7.2
As Regiões do Alto-Forno
Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado
Sobre a estrutura física do AF, cita (E.M.S. Rizzo. P.21):
O corpo do AF é construído de chapas de aço soldadas. Esta estrutura deve suportar elevadas pressões oriundas da operação do equipamento e de seu refratário (dilatação), além de tensões térmicas e mecânicas do carregamento e descida da carga. Também deve permitir a confecção de vários cortes para instalação de sistemas de refrigeração e monitoramento do processo sem que ocorra a sua fragilização.
É costume dividir o AF em cinco regiões: goela, cuba, ventre, rampa e
cadinho. Veja figura a seguir.
Goela
Compreende a região do topo do AF, onde é feito o abastecimento e
distribuição da matéria, chapas de aço são usadas internamente para revestimento
da parede da goela para não estragar o refratário devido ao atrito contínuo na
entrada da carga. E uma calha rotativa distribui do alto o material para o interior do
AF.
74
Cuba
É a região de maior volume no AF. Tem formato de tronco de cone e seu
interior é de tijolos refratários do tipo sílico aluminoso ou carbeto de silício.
Ventre
É a região de maior diâmetro no AF e de formato cilíndrico. Os tijolos
refratários nessa região têm espessura de 800 a 1000 mm e fica sujeito ao atrito da
carga metálica que desce. É usado um sistema de refrigeração nessa região para
aumentar a durabilidade dos materiais.
Rampa
É a região de maior desgaste devido ao atrito. Sua forma de tronco de cone
ajuda no sustento da carga e o refratário de carbono com espessura de 500 a 800
mm. Também um sistema de refrigeração é usado na rampa.
Cadinho
Onde ficam depositados ferro-gusa e escória no estado líquido por certo
tempo. Tem forma cilíndrica com tijolos refratários de carbono. É no cadinho que é
feito furo para vazamento de ferro-usa e escória líquidos.
Figura 15 – Regiões do Alto-Forno
Fonte: RIZZO, 2009, p. 21
_________________________________________________________________
75
4.8 - Atividade nº8: Refrigeração a água – que propriedade é essa da água?
Esta última atividade propõe fechar o estudo da física térmica tratando da
propriedade do material, denominada calor específico, relacionada a sua
capacidade de absorver maior ou menor quantidade de calor na mudança de
temperatura. É esta propriedade que permite compreender porque no processo de
refrigeração de sistemas é utilizada a água e em algumas situações ela é substituída
pelo ar.
Objetivos: utilizando o conceito de calor específico de uma substância explicar a
escolha da água para refrigeração do AF e, também, que para uma mesma
mudança de temperatura se tem necessidade de diferentes quantidades de
energia/calor para diferentes materiais.
Desenvolvimento da atividade
Uma sugestão de desenvolvimento dessa atividade:
I- Solicitar que formem grupos e respondam as questões.
Q1) Na região do Ventre de um AF é usado um sistema de refrigeração para
aumentar a durabilidade dos materiais. Como a circulação de água ajuda a evitar
superaquecimento?
Q2) O que ocorre com o AF se a refrigeração for feita utilizando ar? Responda
com base no Texto 8.1.
Q3) Uma propriedade importante dos materiais é o calor específico. Com base no
Texto 8.1, o tijolo refratário do AF tem baixo ou alto calor específico? Justifique.
Q4) Nos automóveis também há um sistema de refrigeração. Onde ocorre isso nos
carros? Qual é a substância utilizada?
Q5) Determine a quantidade de energia (cal) necessária para elevar a temperatura
de 5kg de ferro de 20oC a 100oC? E, de 5kg de água?
Q6) Explique porque uma brisa sopra do mar para a terra durante o dia e em sentido
contrário à noite.
76
Encaminhando a discussão:
As principais dificuldades que poderão estar presentes no desse envolvimento
dessa atividade estão no processo de refrigeração, que envolve o conceito de calor
específico; no cálculo de energia em cal, que envolve transformação de unidades e
na explicação da formação da brisa do mar. Nessa última dificuldade, como
identificamos em nossa pesquisa, a formação da brisa é explicada pela expansão do
ar pelo aquecimento solar e, portanto, durante o dia o vento será da terra (mais
quente) para o mar, que está em desacordo com a afirmação da questão Q6.
___________________________________________________________________
Texto 8.1
Capacidade Térmica e Calor Específico
Capacidade Térmica
Quando dois ou mais corpos cedem ou absorvem quantidades iguais de calor,
a variação de temperatura por eles sofrida é, em geral, diferente uma da outra. Isto
também significa que para uma mesma variação de temperatura, corpos diferentes
necessitam diferentes quantidades de calor. A grandeza física, que determina o
calor (Q) que é necessário fornecer a um corpo para produzir uma determinada
variação de temperatura (ΔT), é denominada de capacidade térmica ou capacidade
calorífica (C) e representada por: C= Q/ ΔT. Ela é medida pela energia necessária
para aumentar de 1oC a temperatura de um corpo e a unidade usada no SI é J/K
(Joule por Kelvin).
Dois corpos de massas diferentes e de mesma substância possuem
capacidades térmicas diferentes. Dois corpos de massas e de substâncias
diferentes podem possuir a mesma capacidade térmica. A capacidade térmica
caracteriza o corpo, e não a substância que o constitui. Quando a massa é fixada
em uma unidade, a capacidade térmica passa a ser denominada de calor específico
(c), caracterizando uma substância.
O calor específico de uma substância ( ) a partir da capacidade térmica de
um corpo composto por ela ( ) e da massa desse corpo ( ).
77
(3)
Também é possível determinar o calor específico de uma substância a partir
da quantidade de calor cedida a um corpo dessa substância ( ), da massa desse
corpo, e da variação térmica ( ) que ele sofre (temperatura final - temperatura
inicial).
(4)
A tabela abaixo apresenta o calor específico de algumas substâncias à
pressão constante de 1 atm.
Tabela 3 – Calor específico
A água possui calor específico igual a 1,0 cal/g.oC, o que é considerado um
valor elevado, isso faz com que ela possa tanto ceder como absorver muita
quantidade de calor sem que haja alteração no seu estado físico.
Substância Calor Específico (cal/g.°C)
água 1,0
alumínio 0,22
ar 0,24
cobre 0,094
ferro 0,11
gelo 0,5
hidrogênio 3,4
madeira 0,42
ouro 0,032
rochas 0,21
78
Substâncias com calor específico mais baixo que o da água tende a aquecer
e resfriar com mais facilidade e rapidez que a água.
Como exemplo de calor específico baixo é a areia (0.2 cal/g.oC). Durante o
dia, a temperatura num deserto é muito elevada e, durante a noite, sofre uma grande
redução.
__________________________________________________________________
4.9 Atividade nº9: Avaliando o trabalho realizado com os alunos
Nos professores estamos acostumados a avaliar nossos alunos para verificar
o nível de aprendizagem. Saber o que precisa melhorar o que melhorou, quais foram
os aspectos positivos e negativos durante o processo de ensino, enfim precisamos
saber em que patamar do conhecimento eles se encontram.
No caso em questão verificar a aprendizagem dos conhecimentos de física
térmica e estudo do alto forno.
Objetivo: Avaliar a proposta de ensino em relação à compreensão do papel social e
econômico de uma siderurgia, o processo de transformações que ocorrem em um
AF e a física nele envolvida.
Desenvolvimento da atividade
A seguir, como sugestão, é apresentado um questionário para diagnosticar a
aprendizagem dos alunos que participaram das oito atividades de ensino de física
térmica e estudo do AF.
Em função do tempo disponível e/ou das características dos alunos, o
levantamento pode ser realizado oralmente em sala de aula colocando as respostas
no quadro. Só a questão dois deve ser feita pelo aluno em papel em sala de aula.
Exemplo de questionário:
Nome:___________________________________
Turma:__________________
Se faltar espaço para respostas, utilize o verso das folhas.
79
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1) Por que a usina Gerdau Açominas é importante para sua cidade e para o Brasil?
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2) Quais são as principais partes de um alto-forno (AF)? Desenhe um alto-forno (AF)
indicando essas partes.
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3) Quais são as transformações que ocorrem no minério de ferro no interior de um
Alto-Forno? Explique como e por que ocorrem tais transformações.
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___________________________________________________________________
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___________________________________________________________________
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4) No interior do AF a temperatura da região das ventaneiras, local em que ocorre a
queima do coque, é da ordem de 2200oC e de seu topo, onde entra o minério de
ferro, é da ordem de 200oC. Qual é o fenômeno físico que ocorre neste processo de
aquecimento da parte superior? Explique este fenômeno.
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80
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___________________________________________________________________
5) Por que as paredes do Alto-Forno são de tijolos e não de ferro? É possível
construir um Alto-Forno de aço inox? Explique.
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6) Em uma viagem imaginária ao cosmos os cientistas encontraram um material
bastante semelhante ao minério de ferro da Terra e batizaram de FerroZ. Sua
temperatura de fusão é 1.800oC ( cerca de 20% maior que do ferro) e seu calor
específico de 0,22 cal/g.oC (dobro do ferro).
Que adaptações ou modificações são necessárias para utilizar o Alto-Forno
siderúrgico para extração de matéria semelhante ao ferro-gusa (ferroZ gusa)?
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7) Escreva as 3 coisas que você mais gostou dessas aulas sobre usina siderúrgica.
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8) Escreva as 3 coisas que você não gostou no estudo de usina siderúrgica.
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9) O que mais você gostaria de saber sobre usina siderúrgica?
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Estas perguntas ajudarão a avaliar o trabalho desenvolvido e até mesmo
fazer com que os alunos sintam satisfação em responder perguntas que antes das
atividades não conseguiriam. A sugestão é de que o questionário seja respondido
individualmente pelo aluno, sem receber nenhuma colaboração.
Encaminhando a discussão:
Em nossa pesquisa, esta atividade nos evidenciou que os alunos aprenderam
muita coisa. As respostas sobre a importância da Gerdau para a cidade ou país
estão mais elaboradas e articulas, citando a importância do emprego gerado pela
siderúrgica, o desenvolvimento da cidade que ela promove, a melhoria da economia
da cidade e do Brasil.
Pudemos também perceber pelas figuras desenhadas na questão 2, que o
esquema do AF é bastante diferente daquela da primeira atividade. Para
exemplificar apresentamos um AF na Atividade 1 e, meses depois, na Atividade 9.
82
Figura 16 - Desenho de AF de um aluno na Atividade 1
Fonte: O autor
Figura 17 - Desenho de AF do mesmo aluno da figura 18 na Atividade 9.
Fonte: O autor
83
Figura 18 - Desenho de AF de um aluno na Atividade 9. Na Atividade 1 ele não fez o desenho de AF.
Fonte: o autor
Outro avanço revelado pelas respostas é de natureza conceitual, como a
compreensão de capacidade térmica, pela explicação correta da razão das paredes
do AF serem de tijolos; de mudança de estado físico da matéria e sua temperatura
relacionando corretamente as temperaturas do AF e o estado sólido e liquido do
minério de ferro em seu interior. Entretanto o fenômeno da convecção não foi bem
compreendido. Uma sugestão é enriquecer a atividade que trata deste fenômeno
(Atividade 6) com uma experiência, como o aquecimento de água com pó de serra,
que mostra o movimento as partículas sólidas subindo e descendo.
A última questão, que pergunta o que mais gostaria de saber sobre a Usina
Siderúrgica os alunos em sua maioria escreveram: o que é feito com o ferro-gusa,
gostaria de saber sobre segurança e a maior parte ainda e ver o funcionamento de
perto, quer dizer os alunos têm grande desejo de visitar a Usina. Assim, sugerimos
que, durante ou após a aplicação da proposta, o professor organize visita técnica a
uma usina siderúrgica, o que ficou faltando em nosso trabalho.
84
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Dos resultados da avaliação final e da etapa de cada atividade e da
observação das atitudes e participação positivas dos alunos em sala de aula foi
possível inferir que esse trabalho de pesquisa caminhou na direção correta.
O resultado positivo, da utilização da siderurgia como o objeto sobre qual se
estabelece o diálogo inicial, nos deu elementos para afirmar que a educação
problematizadora, referencial teórico desse trabalho, tinha presença real nas
atividades elaboradas. No que se refere aos referenciais teóricos, os três momentos
pedagógicos de DELIZOICOV et al (2002), de problematização inicial, de
conhecimento e de organização e aplicação, estiveram presentes em cada uma das
atividades.
A articulação das etapas de cada atividade e entre as atividades também se
mostrou positiva, na medida em que uma deu suporte para a outra e as situações
fluíram de maneira que em nenhuma etapa houve desânimo, mas sim, presença de
desafios novos e interessantes, que moviam a pesquisa.
Outro aspecto positivo do trabalho foi o estudo de um objeto/tema externo aos
conteúdos tradicionais do ensino da física – o alto-forno. Foi estimulante pesquisar e
compreender toda uma estrutura do alto-forno não só internamente, mas também
externamente incluindo suas mediações. Também, foi prazeroso o reconhecimento
da presença da física ensinada na sala de aula nos fenômenos apresentados no
funcionamento da fabricação do ferro-gusa. Essa identificação do conteúdo da física
no alto-forno proporcionou uma re-conceituação dos conteúdos da física térmica –
deu um significado mais abrangente aos conceitos como capacidade térmica,
mudança de fase, temperatura de fusão, entre outros.
A leitura de artigos de revistas também é um processo relevante por propiciar
reflexões, como a constatação das dificuldades dos estudantes nos conceitos de
calor, temperatura e equilíbrio térmico, que me impressionou e abriu-se um momento
de reflexão para mim, pois não imaginava essa dimensão. Algumas leituras podem
até proporcionar mudança na prática pedagógica do professor, como ocorreu
comigo, ou no redirecionamento da pesquisa pela leitura do artigo A Física na Casa
de Farinha (ALMEIDA et al 2011), em que foram os estudados fenômenos físicos
nos aparelhos que faziam a farinha. Outro elemento importante das leituras de
artigos é compreender o “estado da arte” de uma área de pesquisa e situar a
85
pesquisa nesse contexto. Em minha pesquisa, dentre os títulos dos artigos
encontrados em revistas da área de ensino de física, não havia nenhuma
abordagem de ensino utilizado o alto-forno.
Outro período marcante foi ao começar a elaborar as atividades de ensino de
física (o produto), período de aprendizado, por exemplo, na fundamentação teórica
baseado em DELIZOICOV de problematização inicial do conhecimento, organização
e aplicação. Mas ainda no inicio, muitas meditações, como elaborar as atividades?
Até entender o procedimento levou um bom tempo.
Um momento bastante significativo, no processo de elaboração do material,
foi a reformulação da atividade, “arrumar” o texto, mesmo antes da aplicação, em
virtude da aplicação da atividade anterior trazendo informações sobre a necessidade
de mudança.
Os principais resultados sobre a aprendizagem dos alunos, em relação à
estrutura interna do alto-forno, podem ser resumidos na compreensão de que: o
minério deve ser colocado parte de cima do AF para que, ao cair, sua temperatura
vá aumentando e que a saída de ferro-gusa fica na parte de baixo; para o minério
derreter precisa receber calor dos gases que sobem; o lugar no AF de maior
temperatura é a sua região inferior; é possível identificar as temperaturas pelas
diferentes cores; AF deve ter ventaneiras para controle de temperatura.
Em relação aos conteúdos da física, a grande maioria dos alunos entenderam
que: quanto maior a massa precisa-se de mais calor para sua mudança de fase;
para ocorrer a fusão de uma substância é necessário uma quantidade de calor
mínima; menor temperatura significa menor energia térmica; gases aquecidos da
atmosfera têm baixa densidade e o seu movimento é para cima, o vento se forma
pela diferença de pressão; há uma relação do fluxo de calor com espessura do
material; material com alto calor específico (como a água) necessita de mais calor
para elevar sua temperatura e também demora mais para esfriar do que um material
com calor especifico menor (como a areia).
Também, pelas respostas dos alunos, estimo o aumento na compreensão do
papel econômico e social que desenvolve a siderúrgica na região e país.
Os PCNs, PCN+, CBC descrevem a situação real do ensino de física no Brasil
apontando que ele desperta pouco interesse dos alunos, desatualizado, restrito a
poucos domínios e usando de poucas habilidades (resolução de exercícios). Muita
física que faz parte da vivência do aluno não se ensina como a física dos
86
transportes, da medicina, da arquitetura, da agricultura e do céu. Podemos dizer que
o que está sendo ensinado está na contra mão. Nesse contexto, essa pesquisa é
uma pequena contribuição, que foi realizado como proposição para um ensino de
física mais significativa e libertadora na concepção de Paulo Freire.
87
REFERÊNCIAS
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88
INSTITUTO DE FÍSICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. Cor e temperatura. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/~leila/cor.htm. Acessado em: 10/2012. JÚNIOR, Wanderley P. Gonçalves; BARROSO, Marta F. Conceitos de física térmica: estudo por meio de um questionário. XIII EPEF, Foz do Iguaçu , 2011. KAWAMURA, R. e SALEM, S., 1996. ENFIS, Banco de dados Referências de Ensino de Física, IF/USP. LABURÚ, Carlos Eduardo; SILVA, Dirceu da; CARVALHO, Ana Maria Pessoa de. Analisando uma Situação de Aula de Termologia com o Auxílio do Vídeo. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 22, no. 1, Março, 2000 LAJOLO, M. (Org.). Livro didático: um (quase) manual de usuário. Em aberto, Brasília,1996. Disponível em: www.inep.gov.br/dowload/cibec/1996/ periodicos/em_aberto _69.doc. Acessado em: 12/2012. LEITE, Álvaro Emílio; GARCIA, Nilson Marcos Dias; ROCHA, Marcos. Tendências de pesquisa sobre os livros didáticos de ciências e física. X Congresso Nacional de Educação – Curitiba 2011 LUZ, Antônio Máximo Ribeiro da; ÁLVARES, Beatriz Alvarenga, FÍSICA. Vol. 1; 1ª ed. São Paulo: Editora Scipione, 2006. LUZ, Antônio Máximo Ribeiro da; ÁLVARES, Beatriz Alvarenga, FÍSICA. Vol. 2; 1ª ed. São Paulo: Editora Scipione, 2006. MARTINS, M. I. e HOSOUME, Y. Livros didáticos de física (1940 a 1990): seus autores e editoras. Atas do XVII. São Paulo: SBF, 2007 MEGID NETO, JORGE. O que mudou e o que ainda não mudou nos livros didáticos de Física. XVI Encontro de Pesquisa em Ensino de física. Programa do Evento. SBF, São Paulo, 2011 MINAS GERAIS. Proposta curricular de Física. Educação Básica – 2007, Ensino Médio. Belo Horizonte, 2007. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO. Secretaria de Educação Básica. Guia de Livros Didáticos: PNLD 2012 : Física. – Brasília : 2011. MSPC - Informações Técnicas. Ferros & aços I-10. <http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco110.shtml>. Acessado em junho 2012 OLIVEIRA, Fábio Ferreira de; VIANNA, Deise Miranda; GERBASSI, Reuber Scofano. Física Moderna no Ensino Médio: O que Dizem os Professores. Rev. Bras. Ensino Fís. vol.29 no.3 São Paulo 2007
89
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90
ANEXOS
ANEXO A
INTRODUÇÃO
Este texto explica bem no detalhe o funcionamento do AF e dos
equipamentos ligados a ele (quer dizer da animação do AF Nº1 da Gerdau Açominas
em anexo neste trabalho).
O objetivo maior é mostrar ao professor de física que há muitos fenômenos
físicos envolvidos neste processo de funcionamento do AF. Com isso, o texto
facilitará para o professor que não entende desse processo siderúrgico aprendê-lo.
Pois, observando apenas a animação muitos conteúdos importantes da física
certamente não iriam ser percebidos.
O professor deve primeiramente ver a animação do AF. Que ele vem a ler
este trabalho (texto) e que possa usar a animação como uma alternativa para
ensinar aos alunos certos fenômenos físicos de maneira diferente, podemos assim
dizer. Para que os alunos possam alcançar uma melhor aprendizagem.
A proposta é proporcionar aos alunos e professores o ensino da física mais
prazerosa. Tornar as aulas de física mais aplicada à tecnologia, mostrar a física de
outro cenário, uma nova opção para o professor dinamizar suas aulas. Pois certos
fenômenos tratados nos livros textos vão ser discutidos em novo âmbito. Além de o
aluno aprender física de maneira diferente, lúdica, associar o ensino da física com o
aprendizado de como se obter o ferro gusa numa siderúrgica. Atendendo a proposta
dos parâmetros curriculares nacionais.
Através deste material o professor deve explorar os conceitos de temperatura, calor,
densidade e pressão.
Alto-Forno
É uma construção que pode apresentar tamanhos distintos, interior de
material refratário [Pode ser estudado em: 1) Mudança de fase - Temperatura de
Fusão do material refratário; 2) Transferência de calor por condução.] e
externamente por uma carcaça metálica. Dele se obtém o ferro gusa seu principal
91
produto advindo do derretimento do minério de ferro. É um reator metalúrgico. [Pode
ser estudado em: Conservação da energia-Princípio geral de conservação de
energia; Como a palavra reator faz lembrar o reator nuclear - Fazer uma
comparação do reator metalúrgico com um reator nuclear].
A matéria prima do ferro-gusa entra pelo topo na temperatura ambiente. Os
componentes são:
- Minério de ferro - 87% de sinter e 13% de granulado;
- Combustível/redutor sólido - coque e finos de carvão mineral;[ Fontes de Energia-
Energia não renovável].
- Fundentes - cal, calcário, quartzo ou quartzito, dolomita, dunito, serpentinito.
- Adições corretivas - minério de manganês, minério de Ti (ilmenita).
Numa parte bem inferior do AF (Alto-Forno), de fora para dentro é soprado ar quente
pelas ventaneiras [1ª Lei da Termodinâmica - Energia interna. Fazer a pergunta aos
alunos: Qual a vantagem de soprar um ar já quente para dentro do AF? (Em termos
da 1ª Lei da Termodinâmica) ] (500 a 1200 ºC ou mais), causando a queima do
coque gerando gases em alta temperatura. Esses gases sobem e encontram com o
minério que desce, reagindo, reduzindo e fundindo, originando o ferro-gusa e escória
(armazenados no cadinho), poeira e gases no topo, depois de sofrerem muitas
reações químicas.
A matéria prima lançada no topo do AF desce a uma velocidade [Estudo dos
movimentos - MRU e MRUV. Transforme essa velocidade para km/ h e m/s. Uma
pessoa caminhando será que tem maior velocidade que a carga que desce no AF?
Com valores de velocidade e tempo, dá para estimar a altura desse AF?] de 8 a 15
cm por minuto, levando um tempo de 6 a 8 horas para chegar à parte inferior.
A carga sólida que abastece o AF é devidamente preparada na casa de
silos, passada em peneiras e balanças antes de serem transportadas
periodicamente por correias para as tremonhas no topo do AF. Lançada a carga do
alto, recolhe o ferro-gusa e escória líquida na parte de baixo, e as ventaneiras
ininterruptamente injetam ar quente e carvão pulverizado logo após saem pelo topo
os gases e particulados.
Quando vazam o ferro-gusa e escória por um canal, eles se separam por
terem densidades [Hidrostática – massa específica. Fazer a pergunta aos alunos:
Quem tem maior densidade, ferro-gusa ou escória líquida?] diferentes, indo a
escória para um poço e o ferro gusa para os carros torpedo e dali para a aciaria.
92
Os gases que são obtidos nas regiões inferiores do AF através da reação de
combustão do carvão pulverizado, com o oxigênio do ar de combustão, sobem e
reagem com a carga que desce, reduzindo-a. A queima do carvão com o oxigênio e
as reações químicas que surgiram liberam calor para a carga metálica que desce
fundindo-a.
A massa de minério que desce no AF é equilibrada [- Primeira lei de Newton
(Equilíbrio de uma partícula - condição de equilíbrio de uma partícula). Discutir com
os alunos os tipos de equilíbrio e a condição para uma partícula estar em equilíbrio. ]
pela pressão dos gases que sobem. Se o processo for devidamente controlado na
subida dos gases, [Trocas de calor – fenômeno da condução e convecção] eles
perdem calor para a massa de minério que desce, abandonando o forno a uma
temperatura de 80 a 200 ºC. Veja figura 18.
Figura 19 - As diversas temperaturas dos gases no AF.
Fonte: RIZZO, 2009
No topo do AF a pressão dos gases é controlada por um conjunto de válvulas
(Bleeders), que também permite o fluxo contínuo desses gases.
93
Os gases ao saírem do AF são direcionados para uma área em que eles serão
purificados, retirados pó (no balão gravimétrico) e lama (nos venturis), dessa forma
eles poderão ser usados como combustível. Partes desses gases vão para os
regeneradores para serem queimados e aquecer o ar de combustão para entrar no
AF.
Ressaltamos que em termos de eficiência energética, [ -Conservação de
energia
Primeiramente é bom pedir para os alunos fazerem uma pesquisa para
saberem ou ter uma idéia do que é eficiência energética. Aí [discutir com eles sobre
o que se “gasta” de energia no AF e o que se obtém de energia.] os gases gerados
dentro do AF são utilizados em várias partes da usina para gerar energia elétrica na
turbina de topo de AF, aquecimentos dos fornos de laminação e coqueria e
queimados nos regeneradores para aquecimento do próprio AF.
O AF trabalha de forma sequencial não devendo ter paradas a não ser para
reposição de certos equipamentos considerados cruciais para manter o pleno
funcionamento do mesmo. Essas paradas duram em média 24 horas e ocorrem de 3
a 6 meses.
Para uma reforma completa do AF (encerramento de campanha), para
reposição de todo o material refratário ocorre num período de 10 a 20 anos e pode
durar 6 meses.
As Regiões do Alto-Forno
Sobre a estrutura física do AF, cita (E.M.S. Rizzo. P.21):
O corpo do AF é construído de chapas de aço soldadas. Esta estrutura deve suportar elevadas pressões [-Energia cinética média das moléculas de um gás. - Pressão. [Pode-se discutir com os alunos que a pressão que está submetida o AF uma pequena parcela é em decorrência dos choques das moléculas do gás contra as paredes do AF.] oriundas da operação do equipamento e de seu refratário (dilatação), [dilatação dos sólidos (dilatação volumétrica] além de tensões térmicas[Dilatação dos Sólidos - As regiões aquecidas tendem a se dilatar, mas esta dilatação é dificultada pelas partes adjacentes submetidas a temperaturas menores, o que resulta no desenvolvimento de deformações elásticas e plásticas no material aquecido. ] e mecânicas do carregamento e descida da carga. Também deve permitir a confecção de vários cortes para instalação de sistemas de refrigeração e monitoramento do processo sem que ocorra a sua fragilização.
94
É costume dividir o AF em cinco regiões: goela, cuba, ventre, rampa e
cadinho, vejam figura a seguir.
Goela
Compreende a região do topo do AF, onde é feito o abastecimento e
distribuição da matéria, chapas de aço são usadas internamente para revestimento
da parede da goela para não estragar o refratário devido ao atrito [-Primeira lei de
Newton (Força de atrito).] contínuo na entrada da carga. E uma calha rotativa
distribui do alto o material para o interior do AF.
Cuba
É a região de maior volume no AF. Tem formato de tronco de cone e seu
interior é de tijolos refratários do tipo sílico aluminoso ou carbeto de silício.
Ventre
É a região de maior diâmetro no AF e de formato cilíndrico. Os tijolos
refratários [Fluxo de calor por condução] nessa região têm espessura de 800 a 1000
mm e fica sujeito ao atrito da carga metálica que desce. É usado um sistema de
refrigeração [-Dilatação dos sólidos; -Propagação do calor -Calor específico do
refratário ] nessa região para aumentar a durabilidade dos materiais.
Rampa
É a região de maior desgaste devido ao atrito. [Pode ser estudado em:-
Primeira lei de Newton (Força de atrito). Pode fazer uma analogia com a
hidrodinâmica onde há viscosidade (atrito) entre o líquido e o recipiente onde ele
está fluindo.] Sua forma de tronco de cone ajuda no sustento da carga e o refratário
de carbono com espessura de 500 a 800 mm. Também um sistema de refrigeração
é usado na rampa.
95
Cadinho
Onde ficam depositados ferro gusa e escória no estado líquido por certo
tempo. Tem forma cilíndrica com tijolos refratários de carbono. É no cadinho que é
feito furo para vazamento de ferro-gusa e escória líquida.
Figura 20 - Regiões de um AF
Fonte: RIZZO, 2009
Em um AF há separações de volumes. Volume útil ou de trabalho
compreende desde as ventaneiras até ao nível de carga. Volume interno
compreende desde o furo de gusa no cadinho até ao nível de carga e o volume total
do AF desde o fundo do cadinho até ao nível de carga, veja figura 19.
AF com volume interno menor que 1500 m3, entre 1500 m3 e 3000 m3 e acima de
3000 m3 são considerados respectivamente como pequeno, médio e grande. Como
o Alto-Forno1 da Gerdau Açominas tem volume interno de 3051 m3, ele é
classificado como de grande porte.
As ventaneiras sopram ar de combustão para dentro do AF, injetam carvão
[Discutir com os alunos, Por que o carvão? Quais as propriedades (físicas e
químicas) do carvão para esse uso?] pulverizado e situam na parte superior do
96
cadinho. São 28 ventaneiras, seu material é o cobre, elas adentram 500 mm no
interior do forno e submetidas a altas temperaturas, por isso possuem um sistema
de refrigeração com água na vazão de 300 a 500 litros/minuto de alta pressão.
[Pode ser estudado em:- Transferência de calor-condução;-Mudança de fase -
temperatura de fusão. -Vazão. ]
Antes do ar de combustão chegar as ventaneiras ele passa por um tubo
revestido internamente de material refratário chamado algaraviz. E do lado há um
visor de vidro que resiste a altas pressões e temperaturas que tem várias utilidades
e uma delas é avaliar o estado térmico do AF através da luminosidade da zona de
combustão. [Pode ser estudado em:- Transferência de calor (radiação). - Óptica (luz
e cor) ] Trabalho que é realizado por um profissional experiente e observador.
O ar de combustão aquecido nos regeneradores é enviado para o anel de
vento que é um tubo que envolve o AF, passa pelo algaraviz e daí para as
ventaneiras onde é soprado. Tudo isso é feito de material refratário para evitar as
perdas de calor. O anel de vento não é fixado no AF para permitir sua livre expansão
devido a variações na temperatura do ar transportado. [Dilatação dos sólidos -
condução. Dar o exemplo também que algumas pontes são construídas sobre rolos.]
As zonas no interior do Alto Forno
A estrutura interna do AF é dividida em zonas. Veja figura a seguir.
Figura 21 - Zonas no interior de um AF.
Fonte: RIZZO, 2009
97
Zona granular (zona seca)
As substâncias são lançadas do topo do AF pela calha rotativa
alternadamente e desce mantendo essa característica de camadas. Nessa região
existe apenas dois estados físicos, sólido e gás e a carga de minério de ferro que
desce tem que ter as medidas na faixa de 5 a 50 mm. Abaixo de 5 mm dificulta a
passagem do gás através da carga. Também não deve ser grosso para dar tempo
de acontecer a reação de redução dos óxidos de ferro (Fe2O3, Fe3O4 e FeO).
Zona de amolecimento e fusão ou zona coesiva
Nessa região os gases têm mais dificuldade em subir em virtude do minério e
o sinter já estarem em estado de amolecimento e suas moléculas são mais coesas.
Com isso o movimento dos gases é horizontal e faz com que esta zona venha a
suportar a carga no interior do AF. O coque por ter maior ponto de fusão ainda está
no estado sólido.
Como cita (E.M.S. Rizzo P.29)
Esta zona situa-se na faixa de temperatura entre o início de amolecimento e a fusão da carga metálica, [Diagrama de fase dos materiais que são colocados no topo do AF] correspondendo a uma faixa típica de temperatura de 1100 ºC a 1450 ºC, com, normalmente, maiores gradientes de temperatura na direção horizontal do que na direção vertical. Nesta zona existe uma região denominada de zona de reserva térmica , [Leis da fusão- (na mudança de fase a temperatura é constante).] onde a temperatura, tanto da carga como do gás, é constante (mais ou menos 1000 ºC). Ressalta-se que a reação de gaseificação do carbono é altamente endotérmica e provoca resfriamento do fluxo gasoso.
Zona de gotejamento
Nessa região o único elemento sólido é o coque que se move em direção as
ventaneiras onde vai ser consumido pela reação de combustão (queima), chamado
assim região de coque ativo. Mais abaixo dessa região encontra-se a região de
coque estagnante ou “homem morto”, correspondente aquele coque que não foi de
encontro às ventaneiras e vai ser fundido pelo ferro-gusa líquido do cadinho.
(E.M.S. Rizzo P.29) aborda:
98
O homem morto tem sobre si grande parte do peso de toda coluna de carga do AF e, dependendo da relação de forças entre o peso da carga e o empuxo exercido pelo ferro-gusa líquido, escória líquida e ar soprado, pode ou não ser apoiada no fundo do cadinho. Observa-se que na zona de combustão, a força peso da carga é contrabalanceada pela força ascendente do fluxo gasoso. Este fenômeno gera uma força resultante de sólidos sobre a superfície do líquido, abaixo da zona de combustão, muito maior do que a atuante no centro do forno.
Zona de combustão [Pode ser estudado em:-Transformação de energia.]
Em frente às ventaneiras situa-se esta região. O ar aquecido injetado pelas
ventaneiras queima o coque,[ Máquinas Térmicas - Quando se queima o
combustível (ar mais coque), pode-se falar no motor a explosão. Pode-se também
fazer uma pergunta: Por que o gás que é produzido dentro do AF não é queimado lá
dentro? ] originando gás e enorme quantidade de calor. E esse gás que sobe
transfere calor para a carga que desce e promove reações de redução.
Também é uma região conhecida por ser parcialmente vazia em virtude da
grande energia cinética do sopro de ar quente proporcionado pelas ventaneiras a
uma velocidade de 180 a 280 m/s e pressões de 3 a 5 kgf/cm2.[ -Energia cinética;
-Pressão;- Mov. Retilineo (Transformar velocidades). Qual a relação entre
kgf/cm2 e atm? Então quantas vezes esta pressão é maior que a pressão
atmosférica ao nível do mar? [Compare também com uma panela de pressão em
que a áqua está em ebulição.] O gás CO formado nessa região apresenta
temperatura de 2100 a 2300 ºC.
Sobre a zona de combustão (E.M.S. Rizzo P.30) escreve:
Em relação à dimensão da zona de combustão sugere-se que esta é mantida pelo equilíbrio dinâmico [Pode ser estudado em: -Primeira lei de Newton (Equilíbrio de partícula).] do processo, onde a camada de redutor, acima da zona de combustão, permanece em fluidização incipiente, tal que a força de arraste do gás seja igual ao peso da carga acima.
Após passarem pela região do homem morto, última fase sólida, as
substâncias derretidas se depositam no cadinho, que são o ferro-gusa e escória.
Pelos furos do AF a escória e o ferro-gusa são vazados e passam por um canal de
material refratário com desnível onde se separam por diferença de massa específica
[Massa específica. Transformar a massa específica do ferro-gusa e escória para
99
g/cm3 e comparar, por exemplo, com a da água, mercúrio, ouro, platina etc.] (6,8 a
7,2 e 1,5 a 2,4 t/m3 para o ferro-gusa e escória respectivamente), indo a escória para
um poço onde é granulada com jatos d água a alta pressão e o ferro-gusa para os
carros torpedo.
A retirada do ferro-gusa e da escória do cadinho deve ser regular e altamente
controlada. Pois, havendo acúmulo em excesso de ferro-gusa e escória, afetará a
zona de combustão e até mesmo a descida da carga torna-se irregular e lenta,
causando superaquecimento e até derretimento das ventaneiras.
Substâncias produzidas no Alto-Forno
Ferro-Gusa
É a principal substância produzida no Alto-Forno. É transportado para Aciaria
no estado líquido para fabricação do aço.
O ferro-gusa líquido e a escória obtida no AF são recolhidos, e por diferença
de densidades são separados no canal de material refratário, indo o gusa para os
carros torpedo seguidamente para a aciaria e a escória para o poço ou granulador
de escória.
Os carros torpedo têm forma cilíndrica de extremos de tronco de cone e são
basculáveis. Seu interior é de material refratário tendo a capacidade de manter o
gusa líquido em tempos superiores a 30h. Conforme a sua geometria perde pouco
calor para o ambiente e cada carro torpedo transporta 500 toneladas de ferro-gusa
líquido.
E nesse transporte do ferro-gusa líquido, é dado um superaquecimento no
gusa estando ele ainda no cadinho para que ele não venha a solidificar no carro
torpedo.
Como cita EMS Rizzo p. 55, o grau de superaquecimento depende de vários
fatores, como por exemplo,
[...] do volume de ferro-gusa líquido transportado nos carros torpedo, da quantidade destes recipientes disponíveis e em ciclo na usina, da própria composição do ferro-gusa (temperatura de início e final de solidificação), do layout da usina siderúrgica, da capacidade de produção especificada do AF e da produção e produtividade objetivadas, inclusive o consumo de combustível.
100
Gás de Alto-Forno
O volume de gás gerado no AF é muito grande e eles não são jogados na
atmosfera para não poluir o ar. São limpos para depois serem usados. Nesse
processo de limpeza coleta-se pó e lama que são usados posteriormente. Ao serem
limpos reduz-se a porção de partículas do gás para nível de 0,005 a 0,015 g/Nm3 ou
menos para se enquadrar a legislação ambiental da região.
Pó de Alto-Forno
O gás de AF é volumoso e contém muitas partículas sólidas.
Um dos processos de purificação é a sedimentação a seco, onde a
substância mais densa fica no fundo do balão. No material retido 25 a 40% é Fe, 40
a 45% C, 5 a 7% de SiO2 e de 2 a 4% de CaO. Mas essa porcentagem varia de
acordo com a substância empregada no AF.
Se fosse o coque seria de 6 a 17 kg/t de ferro-gusa produzido.
Depois que o GAF sofreu o primeiro processo de limpeza a sedimentação a
seco, acontecerá a lavagem dos gases, nos venturis, formando a lama de AF.
Estudos afirmam que de 30 a 50% das partículas do GAF deposita na lama.
Num AF a coque forma de lama 3 a 5 kg/t de ferro-gusa obtido.
O pó de AF é usada na sinterização11 e também vendido para fábricas de
cimento.
A lama também pode ser vendida para fábrica de cimento, para fábricas de
tijolos e telhas, pois devido a alta concentração de carbono favorece uma menor
quantidade de calor no cozimento das telhas ou tijolos, proporcionando economia de
combustível.[calor específico]
Escória de Alto Forno
A quantidade de escória e sua composição química dependem diretamente
da matéria-prima usada no AF. 11
Processo em que duas ou mais partículas sólidas se aglutinam pelo efeito do aquecimento a uma
temperatura inferior à de fusão, mas suficientemente alta para possibilitar a difusão dos átomos das
duas redes cristalinas.
101
Para AF a coque a massa de escória é normalmente de 250 kg/t de ferro-
gusa e de 100 a 220 kg/t de ferro-gusa para AF a carvão vegetal.
O principal produto do AF é o ferro-gusa. A escória de AF, o pó de AF e o
GAF são considerados co-produtos ou resíduos.
Há o interesse muito grande das usinas siderúrgicas em reciclar os resíduos e
isto é motivado pelo crescente número de ambientalistas. O processo de
armazenamento em alguns casos dispensa altos recursos financeiros.
Também a ISO 14 000 estimula a reciclagem desses resíduos oriundo do AF.
Materiais da carga do Alto-Forno
- Minério de ferro - 87% de sinter e 13% de granulado;
- Combustível/redutor sólido - coque e finos de carvão mineral;
- Fundentes - cal, calcário, quartzo ou quartzito, dolomita, dunito, serpentinito.
- Adições corretivas - minério de manganês, minério de Ti (ilmenita).
Figura 22 - Exemplos das matérias-primas ferrosas. Minério de ferro granulado (in natura) e sinter
Fonte: Rizzo, 2009
Definições de alguns termos usados em mineração e geologia
(E.M.S.Rizzo,p. 67- 68)
102
Minério - é toda rocha constituída de um mineral ou agregado de minerais contendo um ou mais minerais valiosos, possíveis de serem aproveitados economicamente. Agregado de mineral-minério e ganga que, no estado atual da técnica, pode ser utilizado para extração econômica de um ou mais metais. Mineração - conjunto de procedimentos para descobrir, estudar, avaliar e extrair as substâncias minerais úteis existentes na superfície ou no interior da terra. Abrange quatro fases: prospecção, exploração, desenvolvimento e lavra ou explotação. Ganga – denominação utilizada para o mineral ou conjunto de minerais não aproveitados de um minério por não apresentarem valor econômico ou com pequeno valor, nas condições atuais de mercado e/ou tecnologia. Lavra - conjunto de operações necessárias à extração industrial das substâncias minerais ou fósseis de uma jazida; Rocha - material natural consolidado da crosta terrestre, formado essencialmente de minerais; Mina - Jazida em lavra, ainda que suspensa e/ou paralisada; correspondente ao conjunto constituído pela jazida e instalações necessárias à produção de minério ou seus concentrados.
O minério de ferro
São feitos testes de resistência ao sinter e ao granulado para suportarem ao
manuseio e transporte, até mesmo referente ao movimento dentro do AF.
Dentro do AF o minério pode sofrer o fenômeno da crepitação que consiste
nele não suportar ao choque térmico e sofrer fragmentação.[ Dilatação dos sólidos –
(Choque térmico)]
As medidas granulométricas do minério devem ser mantidas para uma boa
movimentação dos gases dentro do AF e não comprometer a produção do ferro-
gusa.
O coque
Algumas atuações do coque
Como combustível - quando acontece a combustão do coque há grande liberação
de calor que funde e aquece os materiais.
Como redutor - o CO obtido serve par retirar o oxigênio do sinter e do material
granulado.
103
Como agente estrutural e permeabilizador - o coque é sólido e permeável a
temperatura superior a 2000 ºC, e forma uma base de sustento da carga e facilita na
boa ascendência dos gases e descida do ferro e escória líquidos para baixo.
Por ter baixa densidade o coque ocupa o maior volume no AF e apresenta um
poder calorífico de 7009,20 cal/kg.
O ato de fazer o beneficiamento no carvão mineral transformando em coque chama-
se coqueificação e que o torna adequado par o uso no AF.
Figura 23 - Coque com granulometria adequada (a), e com excesso de finos (b).
Fonte: RIZZO, 2009
Fundente
Cal - é um fundente que adicionado ao AF evita a formação da ganga no ferro gusa.
As gangas contem impurezas como a sílica (ponto de fusão 1710 ºC) e alumina
(ponto de fusão 2030 ºC). Quando forma ganga no gusa aumenta sua viscosidade e
dificulta sua saída do forno. E quando se adiciona cal (fundente) o novo composto
formado apresenta menor ponto de fusão, acarretando liberdade de saída.[ -
Viscosidade.- Temperatura de fusão.]
104
Carregamento e descida da carga no Alto-Forno
É feito o controle da pressão dentro do AF, no sentido que os gases que
sobem permitem que a carga desça numa velocidade tal, que fique um bom tempo
em contato com esses gases, recebendo calor e reduzindo.
Fazendo o carregamento do AF (pelo topo) esses gases desejam sair em
meio a carga que desce. Providencias são tomadas e através de alguns
equipamentos esses gases são controlados.
O sistema de transporte da matéria prima para o AF é feito por correia
transportadora (correia principal). A mesma tem 300 m de distância e faz um ângulo
de 18º com a horizontal e move-se com velocidade constante de 3 m/s.. O ângulo é
de extrema importância nesse transporte. Pois senão a matéria prima pode entornar
na subida (dependendo do tipo de carga). [-Primeira e terceira lei de Newton.
(Estudo do plano inclinado - Força de atrito); - Movimento Retilíneo (movimento de
velocidade constante).]
Chegando a matéria prima no topo do AF ela cai na calha de distribuição
(calha móvel), onde é direcionada para uma das tremonhas que é um equipamento
de recebimento ou armazenamento de carga.
Figura 24 - Equipamentos do topo do AF
Fonte: RODRIGUES. Animação do Alto-Forno nº 1 da Gerdau Açominas.
105
Considere a calha móvel (calha de distribuição) direcionando a carga para a
tremonha da esquerda.
A carga caindo nessa tremonha, obviamente sua válvula superior estará
aberta e a inferior fechada. A tremonha então vai se encher e a válvula superior é
fechada. Aí acontece o fenômeno da equalização onde lateralmente sobe gás do AF
para dentro dessa tremonha para que a pressão no interior da tremonha seja igual a
pressão de dentro do AF.
Dando continuidade ao processo, e considerando a tremonha da direita
carregada. Ela vai descarregar abrindo sua válvula inferior. Acontecendo esse
descarregamento sua válvula inferior se fecha estando já a superior fechada aí
acontecerá de uma válvula se abrir e instantaneamente fechar e o gás que entrou na
tremonha enquanto ela descarregava ser enviado para atmosfera.
O processo continua e agora a tremonha da esquerda vai se descarregar ao
abrir sua válvula inferior repetindo o processo.
A descrição do carregamento do AF citada é chamada sistema Paul Wurth ou
duplo silo e nos AF mais recentes este sistema tem prevalecido.
Descida da carga no Alto-Forno
É feito um bom acompanhamento da descida da carga no AF. Segundo
(E.M.S.Rizzo P.157), algumas variáveis monitoradas:
Temperatura - da água de refrigeração, ar quente, refratários, carcaça metálica, gás de topo, chama na zona de combustão, ferro-gusa líquido, etc.; Pressões - de sopro, em vários níveis no interior e no topo, etc.; Fluxos - de ar soprado, injeções auxiliares, água de refrigeração, líquidos drenados, etc.; Análises químicas - do ferro-gusa, e da escória, dos materiais carregados (inclusive umidade), dos gases produzidos, etc.; Teor de particulados e composição dos gases emitidos pelas chaminés e ocorrência de emissões ambientais não desejadas; Variáveis de controle calculadas - rendimento de gás, temperatura de chama, velocidade de gás, basicidade escória, parâmetros de produtividade, etc.
A figura a seguir mostra onde são instalados os medidores para controle de
processo no AF.
106
Figura 25 - Representação esquemática de diversos tipos de sensores e de equipamentos instalados para monitorar e controlar vários parâmetros durante
a operação de um AF.
Fonte: RIZZO, 2009.
Feito as medidas das diversas variáveis citadas anteriormente, conhece as
seguintes condições do AF:
-Permeabilidade da carga;
-Distribuição radial da carga e do gás ascendente;
-Localização da zona de amolecimento e fusão;
-Distribuição circunferencial da carga e do gás; e
-A eficiência da transferência de calor e do grau de redução da carga.
Análise do gás de topo
O controle da temperatura do gás de topo é importante para se saber a altura
da zona granular ou de reserva térmica. Um aumento na temperatura significa que a
velocidade do gás está sendo grande o que acarreta queda no rendimento do gás.
[Influência da temperatura na densidade (gases).]
107
É necessária uma velocidade adequada dos gases para que eles tenham um
bom contato para troca de calor com a carga que desce.
O controle da pressão e da vazão dos gases que saem no topo é necessário
para o bom funcionamento do AF.
Características do sopro
“A temperatura de chama em um processo de combustão é diretamente
proporcional a, pelo menos, duas variáveis: a concentração de oxigênio do ar de
combustão e a temperatura do ar de combustão”. (RIZZO/2009).
O ar que chega aos regeneradores para ser aquecido é captado do ar
ambiente por aparelho Quando se passou a aquecer o ar frio (ar retirado do
ambiente pelo soprador), antes dele entrar no AF, muito contribuiu para economia de
combustível que era injetado no AF para ser queimado para ajudar a elevar a
temperatura do AF. O ar injetado pelas ventaneiras (ar quente) a alta velocidade
reage com o carbono (finos de carvão), liberando calor para esquentar a carga e gás
redutor para converter o minério de ferro em ferro metálico.
Para aquecimento do ar frio usam-se trocadores de calor [conservação de
energia] chamados regeneradores (do tipo Cowpers) que utiliza parte do gás que sai
do AF (BFG) e da coqueria (GOG) para ser queimado dentro deles, depois desses
gases serem limpos.
A temperatura da chama sendo elevada trás vários benefícios dentre eles a
menor quantidade de ar quente a ser soprada, menor quantidade de coque a ser
colocada no AF e aumento da produção de ferro-gusa.
Como cita (E.M.S.Rizzo P.165): chamado sopradores de ar frio acionado
por motor elétrico. Assim que esse ar é captado, tem-se uma válvula chamada Snort
que controlar o fluxo desse ar na tubulação.
Depois que o ar é aquecido nos regeneradores ele é encaminhado para o AF
por tubos refratários até a altura da rampa, no anel de vento (tubo que circula o AF)
e em seguida conduzido para o conjunto de sopro e daí pelas ventaneiras entrando
no AF.
Os regeneradores (Cowpers) recebem o ar ambiente elevando sua
temperatura para 1100 a 1350 ºC. Neste aquecimento os regeneradores gastam de
8 a 10% da energia para produção do ferro-gusa. (Consome-se em torno de 4.106
kcal de energia para produzir 1 tonelada de ferro-gusa).
108
Os regeneradores cowpers é formado por uma estrutura metálica cilíndrica,
revestida de material refratário e isolante. Contém uma câmara de combustão
interna (onde queima parte dos gases proveniente do próprio AF, depois de
purificado, e de gases vindo da coqueria) e uma câmara de aquecimento
[conservação de energia] para aquecer o ar extraído do ambiente pelo soprador.
[Troca de calor – (condução);-Calorímetro.]
Esses aquecedores de ar são altos para que a chama do gás queimado não
danifique os refratários do domo (cúpula) que tem a função de inverter o sentido do
movimento dos gases queimados e aquecer uma pilha de tijolos refratários. Esses
tijolos são perfurados e na pilha os furos devem coincidir para não atrapalhar o fluxo
dos gases e com isso evitar ineficiência dos regeneradores. [Calor específico e
Capacidade Térmica Fazer a pergunta aos alunos. Os tijolos refratários têm calor
específico e capacidade térmica alto ou baixo? ]
Depois que os gases foram queimados dentro dos regeneradores e perderem
energia, eles são conduzidos para a chaminé [Relação da pressão atmosférica com
a altura. Por que as chaminés são altas ? Porque quanto mais alto menor a pressão
atmosférica e aí os gases vão subir mais facilmente. Ainda se estiver vento ainda
melhora porque o vento vai como que sugar os gases.] para serem lançados na
atmosfera.
O custo dos regeneradores é elevado por possuir controle automático para
manter constante a temperatura do sopro de válvulas para que o ar quente ar de
combustão aquecido tenha vazão controlada.
O funcionamento dos regeneradores acontece da seguinte forma:
Combustão ou fase gás: os gases de AF, de coqueria e o ar de combustão (frio),
se misturam no queimador e começa a queima que termina na câmara de
combustão. O calor gerado é armazenado na câmara de aquecimento e os gases
queimados vão para a chaminé. (Veja fig. 25 (a)).
Ventilação ou fase vento: o sentido do fluxo de gás é inverso, o ar vindo do
soprador passa pela câmara de aquecimento recebendo calor dela.
Os revestimentos refratários dos regeneradores são submetidos a contínuos
choques térmicos devidos as fases de combustão e ventilação, nos ataques
químicos dos gases dentre outros, faz com que a escolha destes revestimentos seja
rigorosa. Veja (fig. 25 (b)).
109
AF com produção de até 4000 t/dia, normalmente usam 3 cowpers, sendo 2
na fase combustão e 1 em ventilação.
Há uma tubulação com ar frio do soprador que vai ligar com a tubulação de ar
quente que sai do regenerador. Vai ter fluxo de ar nessa tubulação se o regenerador
estiver com temperatura muito alta.
Figura 26 - Regenerador Cowpers com câmara de combustão interna, (a) fase gás e (b) fase vento.
Fonte: RIZZO, 2009
O AF1 da Gerdau Açominas usa três regeneradores e sua representação
esquemática pode ser vista na figura a seguir.
110
Figura 27 - Esquema do circuito de aquecimento do ar quente injetado no AF para 3 regeneradores
Fonte: RIZZO, 2009
Injeção de carvão pulverizado
Nas ventaneiras o carvão pulverizado e soprado junto com o ar quente na
zona de combustão queima e libera calor e gases. O calor serve para aquecer a
carga metálica e os gases (CO e H2) para reduzir.
Segundo E.M.S.Rizzo (P.179) “A temperatura da chama em si é determinada
pela taxa de carvão, pelo tipo de carvão, pela temperatura do vento quente, pela
umidade do vento quente e pelo enriquecimento de oxigênio”.
A injeção de finos de carvão conhecida por PCI (Pulverized Carbon Injection)
proporciona muitos benefícios, dos quais iremos citar dois como: a natureza
apresenta boa reserva de carvão e o uso dos finos de carvão diminui a poluição nas
coquerias que são tidas como alto poluidoras.
111
Coleta e Limpeza dos gases do Alto-Forno
A quantidade de gases gerado no AF é muito grande. Eles não podem ser
lançados na atmosfera por possuírem substâncias químicas que fazem mal à saúde
humana. Também carregam consigo muita poeira. Esses gases são passados por
um processo de coleta e limpeza para depois serem usados nos regeneradores, nos
fornos de coqueria ou laminação e na produção de vapor para movimentar a turbina
de topo gerando energia elétrica.
Para fazer a retirada dos particulados dos gases são usadas forças e a mais
simples é a gravitacional e em algumas situações ela é suficiente.
O primeiro instrumento de limpeza dos gases que saem do AF é o balão
gravimétrico ou balão de pó que faz a limpeza primária.
Esse balão contém uma parte cilíndrica de 10 m de diâmetro, seu interior é de
material refratário e exterior de estrutura metálica. A geometria desse balão
proporciona aos gases um movimento que os particulados de massas e
comprimentos maiores ficam no fundo do balão. [Pode ser estudado: Segunda lei de
Newton] Partículas com medidas maiores que 0,8 mm geralmente ficam retidos no
fundo do balão. Isto corresponde numa retenção de mais ou menos 60% do material
da poeira. Na retirada do pó é usado um sistema de válvulas duplas para não haver
variação na pressão da rede.
Quando o gás passa pelo sistema primário de limpeza, a legislação ambiental
não permite o uso desse gás, mesmo ele contendo menos de 2,5 g/m3 de poeiras.
É importante ressaltar que para garantir todo esse processo a quantidade de
água e energia empregada é alta, sendo a água fornecida com pureza, vazão,
temperatura e pressão controladas, tendo a empresa (Gerdau Açominas) um
excelente sistema de tratamento de água.
Depois dos gases sofrerem o processo de limpeza, uma boa parte passa na
Turbina de Topo [Conservação de energia (energia eólica) Fazer um cálculo
aproximado entre a energia elétrica gerada na turbina. Um dia de funcionamento da
turbina gera energia elétrica que da para suprir sua casa em quantos meses (dias)? ]
para gerar energia elétrica que é de extrema importância esse aproveitamento da
energia do gás. O uso desta turbina é viável para AF de boas dimensões e que
produz elevada pressão no topo. Nessa turbina são gerados 10210 kW de energia
para o forno que produz 7900 toneladas de ferro gusa por dia.
112
Controle da pressão do topo
O gás produzido no AF é um gás perigoso por ser inodoro mais denso que o
ar o que faz com que ele não suba na atmosfera.
Usam-se equipamentos para controlar a fuga desses gases de dentro do AF e
manter uma pressão para sustentação e controle da descida da carga dentro do AF.
Instrumentos que normalmente regulam a pressão do gás:
Válvula Septum - é uma válvula que serve para tirar a pressão da linha, é usada
muito para emergência.
Válvula bleeder - controla a pressão no AF quando diminui o volume de sopro.
Válvula de alívio - faz com que o interior da tremonha venha a ter a pressão igual a
da atmosfera.
Válvula MBV - é uma válvula de esfera que proporciona estanque nos dois sentidos
do fluxo de gás. De instalação rápida e simples, também facilita na medida da
pressão da rede.
Turbina do Topo - ajuda a controlar a pressão do topo do AF quando estiver
transformando energia. [-Geração de energia elétrica. A energia elétrica gerada na
turbina de topo durante um dia, da para suprir em quantos dias a energia elétrica
consumida e uma residência? ]
Revestimento Refratário do Alto-Forno
O AF é constituído internamente de material refratário cerâmico e
externamente de uma estrutura metálica. Para suportar as elevadas temperaturas
usa-se um sistema de refrigeração com circulação de água entre as chapas
metálicas e o revestimento refratário. Isto diminui e mantém uma temperatura
suportável nas paredes do AF, garantindo até mesmo maior tempo de vida do
revestimento refratário.
Também um conjunto de termômetros (termopar) [Pode ser estudado em:
-Termometria. Como funciona o termopar, qual a sua propriedade termométrica. ] é
utilizado para acompanhar a mudança de temperatura do refratário, da estrutura
113
metálica e até mesmo do sistema de refrigeração, fazendo com que a vida útil dos
equipamentos seja preservada.
A escolha do material do refratário a ser usado no AF é importante, pois terá
que resistir a elevadas temperaturas (dilatações), [Pode ser estudado em: Dilatação]
esforços mecânicos (impactos, atrito pelo movimento do gás e carga), esforços
termomecânicos (choque térmico) e corrosão química por diversos gases. Na região
da goela e da cuba usa refratário de material sílico aluminoso e na região do ventre
e da rampa usa material de carbeto de silício.
Já no cadinho o material é carbono (material de alta condutividade térmica, 8 w/m.k,
a 1000 ºC, o que o torna fácil de ser resfriado), compreendendo blocos quadrados
de 1 a 3 m de largura.
A espessura do material refratário é variada, na região da cuba de 600 mm
até 800 mm. Nas regiões inferiores usa refratários de até 2000 mm ou mais de
espessura. Isto também vai depender do tipo de refrigeração usado. Veja fig. a
seguir.
Figura 28 - Esquema de revestimento refratário de um AF.
Fonte: RIZZO, 2009
114
Refrigeração do Alto-Forno
Para preservação da estrutura física do AF são usados nos refratários e
estrutura metálica, um sistema de refrigeração constituído de caixas ou placas de
refrigeração e stave cooler .[Pode ser estudado em:-Dilatação dos sólidos;-
Trocadores de calor.]
Placas de refrigeração [Pode ser estudado em Transferência de calor (fluxo)]
Essas placas são de ferro fundido, aço ou cobre, tendo o cobre melhor
condutividade térmica. Usadas entre os tijolos refratários e resfriados por água. Por
possuir contato direto com os tijolos possuem boa eficiência na refrigeração.
Sua desvantagem é referente à preservação de vazamento de gás, pois elas
necessitam de boa abertura na carcaça do AF.
Stave Cooler
Em volta de todo AF, entre sua estrutura metálica e o revestimento refratário,
está instalado um sistema de refrigeração a água de alta pressão chamada Stave
Cooler, usando cobre e ferro fundido. Veja fig. a seguir.
Na região do cadinho, região quente, o material é de ferro fundido. Em outras
partes menos quentes o material é de cobre por ter menor ponto de fusão que o
ferro fundido. [Pode ser estudado em:- Temperatura e estado da matéria (ponto de
fusão e ebulição); - Propagação do calor.]
O uso do Stave Cooler tem consideravelmente aumentado a durabilidade do
revestimento refratário nos AF.
115
Figura 29- Stave Coller do AF1 da Gerdau Açominas
Fonte: RODRIGUES. Sistema de Refrigeração Staves Cooler da Gerdau Açominas
Controle do nível térmico do Alto-Forno
A produção do ferro-gusa no AF é um processo contínuo num recipiente
fechado.
O controle do nível térmico é de extrema importância para a usina siderúrgica.
Não acontecendo, pode ter prejuízos elevados na produção e de capital.
Variáveis que podem afetar o nível térmico do AF, como cita (Rizzo. Pag.218)
- Vazamento de água;
- Descida irregular de carga; - Erro no cálculo do leito de fusão; - Erro na aferição e/ou calibração de balanças; - Erro na compensação de umidade; - Variações nas características das matérias-primas.
Mudanças em uma dessas variáveis podem causar sérios danos no nível
térmico do AF.
116
A maior referência para controle do nível térmico do AF é a temperatura do
ferro-gusa quando em vazamento, mas outros aspectos (variáveis de observação)
no ferro gusa podem ser utilizados como: teor de silício, teor de carbono, teor de
enxofre, teor de manganês e análise química da escória.
Analisando outras variáveis pode-se prevenir a variação no nível térmico do
AF, [- Sistema e Vizinhança. Para estudar a variação do nível térmico do AF,
podemos considerá-lo como sistema.] citando algumas:
Pressão do topo - mudança na pressão do topo do AF pode indicar variação no
nível térmico do AF.
Temperatura dos refratários ou cuba - com termopares faz-se a medida da
temperatura dos refratários de modo que se teve relevante variação na temperatura
poderá esperar variação no nível térmico do AF.
Temperatura do gás de topo [Pode ser estudado em 1ª Lei da Termodinâmica] -
Uma diminuição na temperatura do gás do topo vai haver redução no nível térmico.
Um aumento de temperatura decorre, por exemplo, de forno engaiolado, distribuição
irregular de carga ou forno vazio, aí se deve analisar com cuidado essa variável
porque outros fatores a afetam como exemplo umidade do combustível/redutor.
Avaliação de aspectos visuais - através de funcionário experiente e bem treinado
pode-se observar a escória, o ferro-gusa líquido e as ventaneiras e principalmente
pela cor saber a situação do nível térmico do AF. [Pode ser estudado em:-
Propagação do calor (radiação); Óptica: Luz e cor; - variação da cor da radiação
com a temperatura (radiação de cavidade)]
Veja algumas citações de (Rizzo, Pag.220):
Quando a escória apresenta cor branca e com bom escoamento, [Pode ser estudado em viscosidade] o forno está quente, escória de cor cinza, o forno está normal, escória de cor verde e agarrando nos canais, forno esfriando ou arriamento e escória com aspecto queimada, forno frio. Um ferro-gusa com coloração brilhante e esbranquiçada, com intensa radiação de calor e escoamento viscoso, devido ao aumento do teor de silício, indica um nível térmico elevado. Um ferro-gusa com coloração clara e sem problemas de escoamento indica um nível térmico moderado. Já quando o ferro-gusa apresenta coloração avermelhada, sem gerar fagulhas e sem problemas de escoamento, indica um nível térmico baixo. Na prática, normalmente se
117
associa um brilho intenso e de cor esbranquiçada no bico do algaraviz com um forno em boas condições de nível térmico. Um bico com brilho forte indica um forno com nível térmico moderado. Quando os bicos assumem a aparência sem brilho e cor avermelhada, indica forno esfriando ou intervalos de corrida muitos grandes.
Drenagem do cadinho - há perda de temperatura no AF pelo sistema de
refrigeração se houver acúmulo de escória ou ferro-gusa no cadinho (cadinho mal
drenado). Esse acúmulo também ocasiona um maior empuxo, [Pode ser estudado
em: - Teorema de Arquimedes;] proporcionando compressão da zona de
gotejamento, aumentando a pressão e dificultando o fluxo gasoso.
118
ANEXO B
Conteúdos de Física contido nos textos do Anexo A
1- Temperatura e escalas termométricas;
2- Dilatação dos sólidos;
3- Transformação isobárica (influência da temperatura na densidade);
4- Modelo molecular de um gás (interpretação cinética da temperatura);
5- O calor como energia;
6- Transferência de calor;
7- Capacidade térmica e calor específico;
8- Sistema e vizinhança;
9- A primeira lei da termodinâmica;
10- Calorímetro;
11- Mudanças de fase (fusão e vaporização);
12- Diagrama de fases;
13- Movimento Retilíneo
14- Primeira Lei de Newton;
15- Segunda Lei de Newton;
16- Terceira Lei de Newton;
17- Pressão e massa específica;
18- Pressão atmosférica;
19- Teorema de Pascal;
20- Teorema de Arquimedes;
21- Viscosidade;
22- Vazão;
23- Energia cinética;
24- Conservação da energia;
25-Tema Transversal (saúde e meio ambiente);
26- Gerador de energia elétrica.
119
TABELA 4 – Competências e Habilidades
CONTEÚDOS
COMPETÊNCIAS HABILIDADES
1- Temperatura e escalas termométricas;
• Estimar a temperatura nas regiões do AF e no interior dos regeneradores. • Utilizar das escalas termométricas para transformar temperaturas. • Identificar dentre os diferentes tipos de termômetros aquele mais adequado a ser usado. • Descrever a temperatura de um corpo e sua medida, utilizando escalas termométricas.
• Saber conceituar temperatura. • Saber que a temperatura de um corpo é uma grandeza que está associada à sua energia interna. • Saber que existem vários tipos de termômetros com várias finalidades. • Saber usar as principais escalas termométricas. • Saber que pela cor (das ventaneiras, do ferro líquido e da escória) corresponde uma temperatura.
2- Dilatação dos sólidos;
• Identificar num fenômeno em que a temperatura está variando, qual dos três casos de dilatação dos sólidos está ocorrendo; • Associar as tensões térmicas à dilatação dos corpos. • Associar o uso do sistema de refrigeração do AF para minimizar a dilatação e durabilidade dos materiais. • Calcular e relacionar grandezas que caracterizam dilatação.
• Compreender que a dilatação
de um corpo está associada ao aumento da distância média entre as partículas devido ao aumento da vibração das partículas que o compõem. • Compreender que a dilatação de um corpo depende da sua dimensão inicial, da variação de temperatura e do material. • Compreender o choque térmico. • Entender que num AF acontece a dilatação volumétrica; • Entender o que é tensão térmica. • Saber que se um corpo sofrer uma grande variação de temperatura em um pequeno intervalo de tempo ele pode
sofrer danos físicos.
3- Transformação isobárica (influência da temperatura na densidade);
• Associar a subida dos gases no AF a uma transformação isobárica em que V α T
• Saber que um aumento na temperatura do AF, a densidade dos gases vai diminuir e vai aumentar sua velocidade, acarretando menor eficiência dos gases.
120
Continuação...
CONTEÚDOS
COMPETÊNCIAS HABILIDADES
4- Modelo molecular de um gás (interpretação cinética da temperatura);
• Utilizar o modelo cinético das moléculas para explicar as propriedades térmicas das substâncias, associando-o ao conceito de temperatura à sua escala absoluta.
• Compreender que quanto maior a energia cinética das moléculas dos gases que estão dentro do AF, maior é a pressão nas paredes internas do AF.
5- O calor como energia;
• Reconhecer o calor como uma forma de energia.
• Saber transformar as unidades de energia.
6- Transferência de calor;
• Reconhecer trocas de calor envolvidas nesse processo tecnológico de produção do ferro-gusa. • Identificar materiais bom e mal condutor de calor.
propriedades térmicas dos materiais e os diferentes processos de troca de calor, identificando a importância da condução, convecção e irradiação nesse processo tecnológico. • Relacionar grandezas que caracterizam a condução. • Identificar diferentes tipos de radiações presentes nesse processo siderúrgico e sua utilização. • Associar a cor de um objeto a sua temperatura.
• Saber que calor é uma forma de energia que passa de um corpo para outro devido apenas à diferença de temperatura entre eles. • Saber que os materiais refratários possuem baixa condutividade térmica. • Saber que quando dois corpos com diferentes temperaturas estão em contato o de maior temperatura vai ceder calor para o de menor temperatura. • Compreender que um gás, quando aquecido, se expande, diminuindo sua densidade, e sobe devido ao empuxo. • Saber que quanto maior a espessura dos tijolos refratários do AF, menor é a perda (fluxo) de calor de dentro para fora do AF. • Saber que as placas de refrigeração são de materiais de boa condutividade térmica para melhorar o fluxo de calor.
7- Capacidade térmica e calor específico;
-Identificar propriedades térmicas dos materiais que justificam a escolha apropriada de objetos com diferentes finalidades.
• Saber que o calor específico de um material está relacionado à facilidade ou dificuldade dele receber ou doar calor. • Reconhecer através do calor específico de um corpo se ele é bom recebedor e doador de calor ou se ele é mal recebedor e doador de calor.
121
Continuação...
CONTEÚDOS
COMPETÊNCIAS HABILIDADES
8- Sistema e vizinhança;
• Identificar num fenômeno termodinâmico o sistema e a vizinhança.
• Saber distinguir sistema de vizinhança.
9- A primeira lei da termodinâmica;
• Reconhecer que quanto mais ar quente é soprado pelas ventaneiras para dentro do AF, maior poderá ser a energia interna deste. • Identificar e relacionar grandezas que afetam a energia interna (nível térmico) do AF. • Compreender os princípios fundamentais da termodinâmica que norteiam a construção e o funcionamento das máquinas térmicas.
• Compreender o primeiro princípio da termodinâmica: a quantidade de calor fornecida a um sistema é igual ao trabalho que ele realiza mais a variação de sua energia interna. • Compreender que ao soprar ar quente pelas ventaneiras pode aumentar a energia interna (nível térmico) do AF.
10- Calorímetro;
• Associar a câmara de aquecimento dos regeneradores a um calorímetro, onde há troca calor.
• Entender que a câmara interna dos regeneradores pode ser comparada com os calorímetros. E que em todo calorímetro o calor total liberado pelos corpos que se esfriam é igual ao calor total absorvido pelos corpos que se aquecem.
11- Mudanças de fase (fusão e vaporização);
• Compreender as leis que regem as mudanças de fase. • Associar a mudança de fase a uma absorção de calor ou perda.
• Saber estimar a temperatura de fusão de um material refratário. • Saber que numa mesma fase a temperatura de fusão e ebulição de uma substância pura é constante. • Saber que a pressão modifica a
temperatura de fusão e ebulição
das substâncias.
12- Diagrama de fases;
• Relacionar a mudança de fase a uma variação na temperatura e/ou pressão.
• Saber representar graficamente
a curva da pressão x temperatura dos materiais que compõe a carga metálica que coloca no topo do AF e mostrar como varia o estado da matéria com estas duas variáveis.
122
Continuação...
CONTEÚDO COMPETÊNCIA HABILIDADE
13- Movimento Retilíneo
• Classificar o movimento segundo sua velocidade. • Relacionar e calcular grandezas que caracterizam movimentos.
modificações nos movimentos são consequência de interações, por exemplo, identificando que para um carro parado passar a deslizar em uma ladeira, é necessário uma interação com a Terra.
• Compreender que o movimento é relativo. • Saber usar a equação do movimento uniforme d = vt. • Saber transformar velocidade de cm/s em m/s; de m/s para km/h e vice-versa. • Saber que no movimento uniforme a velocidade permanece constante e o corpo percorre distâncias iguais em tempos iguais. • Compreender o conceito de aceleração. • Saber as características de um movimento retilíneo uniformemente variado.
14- Primeira Lei de Newton;
• Estabelecer as condições necessárias para a manutenção do equilíbrio de objetos; • Diante de situações naturais ou em artefatos tecnológicos, distinguir situações de equilíbrio daquelas de não equilíbrio (estático ou dinâmico); • Prever e avaliar situações cotidianas que envolvam movimentos, utilizando a primeira lei de Newton.
• Saber a diferença entre massa e peso de um corpo e suas unidades de medida. • Compreender o conceito de peso de um corpo como a força com que a Terra o atrai. • Compreender o conceito de inércia. • Compreender o conceito de força resultante que atuam numa partícula. • Saber montar diagramas de forças que atuam em corpos em equilíbrio. • Saber explicar que as forças de resistência do ar e atrito alteram o movimento. • Saber desenhar e calcular as componentes retangulares de uma força no plano cartesiano.
15- Segunda Lei de Newton;
• Reconhecer causas da variação de movimentos associadas às forças. • Prever e avaliar situações cotidianas que envolvam movimentos, utilizando a segunda lei de Newton.
• Saber que a massa de um corpo uma medida da maior ou menor dificuldade para acelerá-lo. • Saber que uma força resultante
atuando em um corpo produz
nele uma aceleração. • Saber que a força de atrito depende do coeficiente de atrito e do valor da força de contato entre as superfícies.
123
Continuação...
CONTEÚDO COMPETÊNCIA HABILIDADE
16- Terceira Lei de Newton;
• Utilizar o princípio da ação e reação reconhecendo que é válido para forças em contato. • Utilizar a 3ª lei de Newton para interpretar fenômenos envolvendo equilíbrio e
movimento de partículas.
• Saber que, para toda força,
existe uma força de reação que atua em corpos diferentes. • Entender que as forças de ação e reação tem mesmo valor, mesma direção e sentidos opostos. • Identificar as forças de ação e reação em várias situações.
17- Pressão e massa específica;
• Relacionar as seguintes grandezas: pressão, força e área. • Relacionar as seguintes grandezas: massa específica, massa e volume. • Comparar valores de pressão. • Reconhecer num corpo se sua massa específica é alta ou baixa.
• Compreender o conceito de
pressão, suas unidades de medida e suas aplicações em situações do cotidiano. • Saber fazer conversões entre unidades de pressão. • Compreender o conceito de massa específica e suas unidades de medida. • Compreender que entre duas substâncias a que tiver menor massa específica vai ficar por cima. • Saber fazer conversões entre unidades de massa específica.
18- Pressão atmosférica;
• Relacionar a pressão
atmosférica com a massa de ar que envolve a terra. • Relacionar a altura de uma chaminé com o fenômeno da pressão atmosférica.
• Saber que quanto maior a
altitude menor a pressão atmosférica.
19- Princípio de Stevin;
Aplicar o Princípio de Stevin para interpretar fenômenos em hidrostática.
• Saber que no sistema de refrigeração do AF usa o sistema de vasos comunicantes.
20- Teorema de Arquimedes;
• Descrever empuxo e utilizar o
Princípio de Arquimedes para interpretar fenômenos em hidrostática. • Relacionar o empuxo à densidade do fluido e ao
volume de fluido deslocado.
• Saber que os fluidos exercem uma força vertical para cima chamada empuxo.
21- Viscosidade;
• Associar a viscosidade ao atrito entre as moléculas do fluido. • Relacionar a viscosidade com
a temperatura.
• Saber que no movimento de um líquido existe atrito entre suas moléculas e esse atrito entre as moléculas chama-se viscosidade e diminui quanto maior a temperatura do líquido. • Saber que quanto menor a velocidade de um fluido maior é a
sua viscosidade.
124
Continuação...
CONTEÚDO COMPETÊNCIA HABILIDADE
22- Vazão;
• Comparar valores de vazão. • Descrever a vazão de um fluido e utilizar a equação da continuidade para descrever o movimento de um fluido incompressível.
• Saber que a vazão é a quantidade de fluido que atravessa uma certa sessão num dado tempo.
23- Energia cinética;
• Associar o aumento de velocidade com aumento da energia cinética. • Descrever a energia cinética.
• Saber que um corpo em movimento possui uma forma de energia associada a esse movimento denominada energia cinética. • Saber que a energia cinética de um corpo em movimento é proporcional à massa do corpo e ao quadrado de sua velocidade.
24- Conservação da energia;
• Identificar transformações de energia no AF e em sua vizinhança. • Identificar as diferentes fontes de energia e seus respectivos impactos ambientais; • Avaliar a eficiência energética do AF e dispositivos ao redor. • Conhecer as transformações de energia nos reatores nucleares para comparar com as transformações de energia nos reatores metalúrgicos. • Avaliar a energia liberada numa reação de combustão.
• Saber que o carvão mineral é uma fonte não-renovável de energia. • Saber das vantagens do uso do carvão mineral. • Saber das transformações de energia que acontece num reator metalúrgico e relacionar com um reator nuclear. • Entender o significado do termo eficiência energética. • Saber como se obtém a energia eólica;
25-Tema Transversal (saúde e meio ambiente);
• Avaliar argumentos sobre problemas decorrentes da poluição sonora para a saúde humana e possíveis formas de controlá-la. • Confrontar e avaliar opiniões sobre a poluição causada pelos gases produzidos no AF e que são lançados na atmosfera.
• Saber os males que os gases produzidos no AF causam a saúde das pessoas que ali trabalham.
• Saber que a poluição sonora causa problemas à saúde humana.
125
Continuação...
CONTEÚDO COMPETÊNCIA HABILIDADE
26- Gerador de energia elétrica;
• Identificar a fonte e transformações de energia na turbina de topo de AF e uso na empresa. • Compreender o funcionamento de diferentes geradores, para explicar a produção de energia em hidrelétricas, termelétricas, eólica etc. - Discriminar o funcionamento de motores e de geradores, reconhecendo as transformações de energia envolvidas em cada um deles.
• Compreender como a eletricidade é gerada pela força do gás empurrando a turbina de topo de AF. •
126
ANEXO C
ATIVIDADE Nº 1
Encaminhamento da discussão
Questionário aplicado na segunda semana de abril de 2012 pelo próprio
professor autor da pesquisa, para quatro turmas da 2ª Série do Ensino Médio de
uma Escola Estadual, compreendendo 97 alunos pesquisados.
Neste primeiro levantamento tivemos uma boa amostragem do conhecimento
desses alunos referente à Siderúrgica instalada aqui na nossa cidade de Ouro
Branco, no assunto que aborda as 6 questões propostas no questionário. A seguir
uma análise de cada uma das questões.
1) Na região onde você mora existe uma usina siderúrgica? Qual nome dessa
usina?
Obs.: dos 49 alunos que escreveram o nome da empresa corretamente, 3 alunos
citaram empresas que são empreiteiras e outras que são mineradoras. Dos 47
alunos que não escreveram o nome da empresa corretamente, quatro alunos
citaram empresas que são empreiteiras e mineradoras. E 2 desses alunos citaram o
nome de uma siderúrgica que está sendo implantada na região.
2) Quantas pessoas de sua família e/ou seus parentes trabalham nela? O que faz
cada um?
1 aluno respondeu não
96 alunos responderam sim 49 alunos escreveram o nome da empresa corretamente
47 alunos não escreveram o nome da empresa
corretamente
127
-33 alunos responderam que ninguém de sua família trabalha na siderúrgica.
-1 aluno não respondeu nada.
-1aluno respondeu que não sabe, mas acha que trabalha.
-9 alunos responderam que já teve familiar que já trabalhou na siderúrgica.
-14 alunos não sabem a função do familiar na siderúrgica.
-53 trabalham -17 alunos não têm certeza na função que o familiar exerce.
na siderúrgica. -22 alunos sabem a função do familiar na siderúrgica.
3) Você sabe a importância de uma usina siderúrgica para a sua região? E, para o
Brasil?
-2 alunos deixaram em branco.
-1 aluno respondeu que sabe mais ou menos.
-6 alunos responderam que não sabe.
-1 aluno respondeu que acha que sabe.
-2 alunos responderam que não sabe, mas acabou falando da importância da
siderúrgica.
4) Você sabe o que faz uma usina? Faça um pequeno resumo do que ocorre no
interior de uma usina.
-16 alunos responderam não sabe e não justificaram.
-4 alunos responderam não sabe, mas responderam a questão não muito
satisfatoriamente.
85 alunos responderam sim.
-5 alunos responderam sim, sem argumentar.
-44 alunos escreveram que com a siderúrgica
há mais oportunidade de emprego para a região
ou país
-36 outros.
128
-12 alunos responderam que sabe mais ou menos ( com os seguintes dizeres: acho
que sei, não sei muito bem, mais ou menos e não sei muito). Desses 12 alunos, 3
deram respostas satisfatórias onde citaram a produção do aço. Os 9 restantes
deram respostas que tem algo a ver.
- 47 alunos não responderam: nem sim, nem não e nem mais ou menos. Mas
escreveram sua resposta. Desses 47 alunos 26 alunos citaram que a siderúrgica
produz aço. E 21 alunos citaram que a siderúrgica fabrica peças, ferramentas etc.
5) Você conhece um alto-forno?
Se sim, desenhe um esquema que mostra suas partes.
Se não, como você imagina que funciona um alto forno – faça um esquema
de seu funcionamento.
-9 alunos deixaram em branco.
- 3 alunos responderam sim. 1 não desenhou, os outros dois desenharam. O
desenho de um deles é estranho, o outro fez um caldeirão e escreveu do lado:
dentro de um caldeirão eles derretem minério de ferro.
-24 alunos não conhecem alto-forno e não fizeram desenho. Alguns
escreveram que nem faziam ideia. Outros escreveram que é um lugar muito quente.
-18 alunos responderam sim
- 4 alunos responderam, minério de ferro
transforma em aço e em peças.
- 11 responderam mais ou menos nesses termos: derretimento de materiais a alta temperatura para produzir peças.
- 3 alunos deram respostas insuficientes,
como um deles escreveu: provavelmente
deve produzir alguma coisa.
129
-28 alunos escreveram que não conhecem alto-forno e fizeram desenho. Os
desenhos tinham algo relacionado com fogo, vapor, chaminé, caldeirão. Obs.:
desses 28 alunos 17 tem familiar que trabalha na siderúrgica.
-33 alunos não responderam nem sim, nem não e fizeram desenho. Uma
observação é que desses 33 alunos, 23 tem familiar que trabalha na siderúrgica. Os
desenhos são de: caldeirão, fogo, fornalha, chaminé, carro de transporte de carga,
vapor, correia de transporte de material etc.
6) Você já visitou uma usina siderúrgica?
Em caso positivo, o que aprendeu nesta visita?
Em caso negativo, você gostaria de conhecer? Por quê?
-87 não -2 alunos responderam que não tem vontade de conhecer.
-85 alunos têm vontade de conhecer.
Obs.: 85 alunos têm vontade de conhecer a siderúrgica. Eis alguns motivos citados
por eles: para saber como funciona, porque acha interessante, conhecer mais
tecnologia, conhecer para um dia trabalhar lá, conhecer para entender mais sua
importância, para ter mais conhecimentos.
-10 alunos disseram sim.
-2 alunos relataram que aprenderam muito de
segurança.
-2 alunos nãos se lembraram do que
aprenderam porque eram muitos novos.
-1 não justificou.
-3 outras justificativas
130
Comentário
Primeira questão: Foi constatado que dos 97 alunos entrevistados, 48% não
escreveram o nome da usina corretamente (Gerdau Açominas).
Segunda questão: 54% dos alunos têm familiar que trabalha na usina. Considero
esse número baixo uma vez que tios e primos estão sendo contados.
Terceira questão: 87% dos alunos escreverem que sabem a importância da usina
para região ou país, mas apenas 43% deram respostas satisfatórias. Onde eles
citam que com a siderúrgica há mais oportunidade de emprego para a região ou
país. Mas 36 outras deram respostas podemos assim dizer desencontradas, que
não tinham muito a ver. Como exemplo a resposta dada por um aluno: Ela ajuda a
fornecer energia para a região, elas produzem o minério e os cascalhos que são
usados para fazer asfaltos.
Quarta questão: apenas 18% alunos responderam que sabe o que faz uma usina e
desses, 4 deram uma boa resposta (do derretimento do minério de ferro obtém-se o
ferro-gusa e outros materiais). Como exemplo a resposta de uma aluna: extrai o
minério de ferro, leva até aos altos fornos e transforma em ferro gusa,
transformando-o em chapas de ferro e outros materiais. E a de um aluno: tem vários
colaboradores que ajudam a manter organização dentro da empresa. Para a
produção do aço ser grande precisa de bons profissionais capacitados para exercer
essas funções. A usina transforma o minério de ferro em aço em uma alta
temperatura. Também o índice dos que responderam que não sabe, ao sabe mais
ou menos é elevado.
Quinta questão: 3 alunos responderam que conhece um alto-forno. 1 não
desenhou, os outros dois desenharam. O desenho de um deles é estranho, o outro
fez um caldeirão e escreveu do lado: dentro de um caldeirão eles derretem minério
de ferro.
E 28 alunos escreveram que não conhecem alto-forno e fez desenho. Os
desenhos tinham algo relacionado com fogo, vapor, chaminé, caldeirão. Um detalhe
importante e que desses 28 alunos 17 tem familiar que trabalha na siderúrgica.
131
Sexta questão: nesta questão há números impressionantes como: 89% dos alunos
nunca visitaram uma usina siderúrgica e 87% desses tem vontade de conhecer.
Percebemos que de maneira geral é grande a falta de conhecimento desses alunos
em relação á Siderúrgica.
ATIVIDADE Nº 2
Encaminhamento da discussão
Para servir de parâmetro para você professor, nesta situação apresento a
dinâmica da minha aula dada a cada turma que foi o retorno referente às respostas
dos alunos ao questionário do Quadro 2.
Na questão 1 falei que a grande maioria deles identificaram a Gerdau
Açominas como Siderúrgica, e que o resultado foi muito bom. Entretanto vários
alunos erraram a forma de escrever o nome da usina. Aí escrevi no quadro a grafia
correta – Gerdau Açominas. Também relatei que a empresa nova VSB que se
instalou na região é uma siderúrgica.
Na questão 2 apresentei-lhes algumas profissões exercidas dentro da
siderúrgica. Lembro que quando falei que lá tem professor de educação física pude
perceber que falei novidade. Idem para advogado. Uma aluna em uma das quatro
turmas acrescentou umas três profissões relacionadas a áreas técnicas.
Referente a questão 3 e 4 falei que encontrei boas respostas e quando comecei a
ler umas que havia selecionado, duas alunas de turmas diferentes pediram para não
ler. Mas explique que iria ler respostas que atenderam bem as perguntas. E apontei
a convergência nas respostas das turmas.
O próximo passo foi ler o Texto 2.1 de título: A indústria do aço no Brasil -
Aspectos Econômicos e Sociais. Este texto fala dos aspectos econômicos e
sociais das siderúrgicas de modo geral. Aí nas minhas intervenções aplicava o que
estava sendo tratado para a siderúrgica da nossa cidade.
Uma boa parte da classe prestava atenção na aula, uma meia dúzia de
alunos participava bem. Mas tem aqueles alunos que não se interessaram. Devia
achar que o assunto não tinha nada a ver, era uma aula “perdida”.
132
Também lhes apresentei um Texto 2.2 sobre a história da siderúrgica da nossa
cidade onde percebi maior interesse e um aluno perguntou onde eu havia adquirido
aquelas informações. E passei o site para ele. Ele falou que ia acessar.
Lembro também que uma aluna pediu o texto 2.1 e falei que depois da apresentação
nas outras turmas iria dar para ela o texto.
Uma indagação importante nesta aula foi a exposição de um aluno falando
que trabalhar na Siderúrgica Gerdau Açominas não está sendo vantajoso hoje em
dia. Isso proporcionou uma boa discussão onde apresentei as vantagens da
empresa referente a plano de saúde, seguro de vida, incentivo a estudos etc (essas
vantagens foram comentadas no Texto 2.1), além do funcionário adquirir
experiências.
Uma observação importante é que desejei fazer esta apresentação em uma
aula. Fui breve nas respostas do questionário em virtude dos textos serem grandes.
Na primeira turma não consegui, mas nas demais simplifiquei, não lendo certas
partes, fazendo apenas comentários do que se tratava.
ATIVIDADE Nº 3
1º Encaminhamento da discussão:
Esta análise que farei desta atividade pode servir de referência para o
professor.
Esta atividade foi realizada nos dias 01e 06 de junho de 2012, nas quatro
turmas de 2ª série do ensino médio da Escola Estadual Cônego Luis Vieira da Silva.
Foram montados 27 grupos (nas 4 turmas) perfazendo um total de 27 figuras
de AF desenhado por alunos e que foram usados nesta atividade 3.
Primeiramente vou fazer um comentário acerca da escolha das 5 figuras de
AF, pois fui muito feliz nesta escolha. A figura 4 e 5 estão mostrando um AF
externamente. A figura 6 está mostrando um AF internamente mostrando valores de
temperatura decrescente a medida que sobe no AF, além de ser colorido “indicando
parte mais quentes”. A figura 7 tem características semelhante a terceira, porém ela
vai mais alem mostrando por escrito a saída de escória, saída de ferro-gusa, injeção
de ar, alimentador, transportador e nomes de materiais que entram no AF como
coque, minério de ferro e calcário. A figura 8 tambem tem caracteristicas próprias,
133
mas todas muito contribuiu para a análise dos grupos e sendo elas instrutivas para
vários alunos devido as suas características informativas.
A seguir o trabalho de um grupo.
Eles receberam a figura a seguir.
FIGURA 30- Desenho do Britador
Fonte: O autor
Escreveram que o desenho do aluno não possui nada que mostre onde o ar é
injetado, não mostra a saída de escória e do ferro, não indica temperatura e não
possui a estrutura existente ao redor do AF. Ainda por cima não mostrou a
quantidade exata de ferro que deve ser colocado.
2º Encaminhamento da discussão
Cada grupo de alunos receberam as 5 figuras coloridas de AF(veja figuras de
AF). O total de figuras que os alunos haviam desenhado foram 63 e escolhi aquelas
que mais faziam sentido (pois há figuras que tinham menos relação-veja figura 30 e
31), quer dizer, aquelas que mais se relacionavam com um AF siderúrgico. O total
de figuras selecionadas por mim (autor da pesquisa) foram 27, portanto foram 27
grupos perfazendo um total de 85 alunos que participaram da pesquisa , distribuidos
nas quatro turmas.
134
FIGURA 31- Alto Forno
Fonte: O autor
FIGURA 32- Alto Forno
Fonte: O autor
Turma 2º A
Foram formados 4 grupos de 3 alunos e 3 grupos de 2 alunos. Total de 18
alunos.
1º Grupo - A1
Fizeram o seguinte relato que está escrito na integra.
135
Alguns elementos e setores de um alto-forno real não foram representados no
esquema do aluno, como por exemplo a saída de escória, transportador, alimentador
e saída de ferro-gusa. O único elemento representado foram as saídas de gases.
Eles comentaram sobre a seguinte figura.
Figura 33- Alto Forno
Fonte: O autor
2º Grupo - A2
Escreveram que o desenho do aluno parece mais um foguete espacial do que
um AF de siderúrgica. E o aluno so se preocupou em desenhar o AF por fora.
Este grupo comentou sobre a figura a seguir.
FIGURA 34- Alto Forno
Fonte: O autor
136
3º Grupo - A3
Relataram que o desenho do aluno não mostra como entra o minério a ser
derretido e o AF de verdade não tem chaminé como tem o do aluno. E o AF de
verdade tem as seguintes partes cadinho, cuba,ventre, goela.
Elas comentaram da figura a seguir.
FIGURA 35- Alto Forno
Fonte: O autor
4ºGrupo – A4
Um dos relatos do grupo: O desenho do aluno é de uma panela em cima de
uma fogueira que é aquecida derretendo o ferro. E no AF, o esquema é composto de
uma fôrma com tijolos que impede a troca de calor com o ambiente onde é derretido
o minério até 1600ºC.
A seguir a figura que o grupo analisou.
FIGURA 36- Alto Forno
Fonte: O autor
137
5ºGrupo - A5
Um dos relatos do grupo: No desenho do aluno a chaminé está do lado ao
invés de estar por cima do forno. O formato do forno do aluno está errado pois não
contém partes mais finas, que por sua vez tem sua função (goela, rampa, cadinho,
etc)
No desenho, os carros estão muito próximos do AF; o que normalmente não
acontece.
A seguir a figura que o grupo analisou.
Figura 37- Alto Forno
Fonte: O autor
6ºGrupo - A6
A diferença é que o AF da figura é mais complexo, com seus detalhes bem
mostrado a fim de apresentar suas partes internas com cortes que permitem às
pessoas olhar cada detalhe de maneira clara e objetiva. O aluno fez somente da
parte externa e não se preocupou com a parte interna. Veja figura a seguir.
Figura 38- Alto Forno
Fonte: O autor
138
7ºGrupo - A7
Eles escreveram que o desenho do aluno mostra o AF por fora, não mostra o
transportador e nem o esquema dentro do AF. E no desenho da usina mostra onde
fica a transportadora. Figura seguinte.
Figura 39- Alto Forno
Fonte: O autor
Turma 2º B
Foram formados 4 grupos de 4 alunos e 2 grupos de 3 alunos. Total de 22
alunos.
1º Grupo - B1
O comentário do grupo de alunos na integra é o seguinte:
O desenho do aluno menciona 350º C, e no desenho verdadeiro menciona
vários graus de temperatura, outra diferença é que no desenho verdadeiro há tubos
que levam ar quente para dentro do AF, e no do aluno não consta estes tubos.
Comentaram da seguinte figura.
139
Figura 40- Alto Forno
Fonte: O autor
2º Grupo - B2
Um dos relatos do grupo: O AF do desenho do aluno funciona a base de
madeira e da figura são outras coisas.
Comentaram sobre a figura seguinte.
Figura 41- Alto Forno
Fonte: O autor
3º Grupo - B3
Relataram que a figura do aluno não é detalhada, pois não apresenta:
transportador, as temperaturas internas, injeção de ar, saída de escória e saída de
ferro-gusa.
Comentaram sobre a figura seguinte.
140
Figura 42- Alto Forno
Fonte: O autor
4º Grupo - B4
O comentário na integra é o seguinte: o esquema feito pelo aluno apresenta
galpões com 3 chaminés, enquanto um AF são apresentados funcionamento interno
e externo.
Comentaram sobre a figura.
Figura 43- Alto Forno
Fonte: O autor
141
5º Grupo - B5
Relataram: A diferença é que no desenho do aluno pode-se observar o forno
interligado com o local de armazenamento e aquecimento que depois leva o aço
derretido para outro recipiente, já nas imagens do professor é possível ver
detalhadamente a temperatura interna do AF e seu modelo interno e externo.
Comentaram sobre a figura seguinte.
Figura 44- Alto Forno
Fonte: O autor
6º Grupo - B6
Escreveram que no desenho do aluno o AF está colocado num galpão e
parece uma chaminé, enquanto o real parece ser separado dos outros setores.
A figura é a seguinte.
Figura 45- Alto Forno
Fonte: O autor
142
Turma 2º C
Foram formados 7 grupos de 3 alunos. Total de 21 alunos.
1ºGrupo - C1
O relato desse grupo na integra é o seguinte: Onde é o alimentador o aluno
desenhou uma saída de fumaça. O aluno também representou um tipo de saída do
material que se encontra no AF que não foi colocado no lugar certo, mas da pra ver
que ele tem uma noção do que é um AF.
A seguir a figura que o grupo analisou.
Figura 46- Alto Forno
Fonte: O autor
2ºGrupo - C2
No desenho do aluno, ele quiz mostrar que o ferro estava derretendo dentro
de uma caldeira, e seu desenho não fica bem esquematizado. Já no esquema de um
AF real, é um recipiente fechado onde possui injeção de ar quente, saída de escória
e ferro-gusa a temperatura bem alevada. A seguir a figura que o grupo analisou.
143
Figura 47- Alto Forno
Fonte: O autor
3ºGrupo - C3
O AF do aluno é simples e não apresenta formas que possa dá a entender
que o aço passa por várias etapas. As imagens dos AF são detalhadas e complexas,
composta de transportador, alimentador; injeção de ar; saída de escória e ferro-
gusa. E nos AF existem as seguintes divisões: placas de desgastes, goela, cuba,
ventre, rampa e cadinho.
A seguir a figura que o grupo analisou.
Figura 48- Alto Forno
Fonte: O autor
4ºGrupo - C4
Um dos relatos do grupo: No desenho do aluno a representação de fogo só
tem uma temperatura, mas no AF de verdade as cores indicam variação na quantia
144
de calor. No AF os gases do processo são liberados através de uma tubulação e no
desenho do aluno eles vão direto para a atmosfera. No desenho do aluno o AF é
uma estrutura simples enquanto que na verdade ele é muito complexo.
A seguir a figura que o grupo analisou.
Figura 49- Alto Forno
Fonte: O autor
5ºGrupo - C5
O desenho do aluno é bem simples com somente uma caldeira e um sistema
de liberação de gás. Já o AF real possui um transportador onde são colocados
alguns minérios (coque, minério de ferro e calcário) e saídas para o ferro-gusa e
escória.
A seguir a figura que o grupo analisou.
Figura 50- Alto Forno
Fonte: O autor
145
6ºGrupo - C6
Um dos relatos do grupo: No desenho do aluno o AF é comparado a uma
panela, o minério chega pelos lados e não há relatos que há lugares com maior ou
menor concentração de calor. No AF real há lugares com maior concentração de
calor, o minério chega por cima há injeção de ar e saída de escória e ferro-gusa.
A seguir a figura que o grupo analisou.
Figura 51- Alto Forno
Fonte: O autor
7ºGrupo - C7
No desenho do aluno o AF é simples. No da empresa mais detalhado, formato
largo, de grande comprimento e grande suporte.
A seguir a figura que o grupo analisou.
Figura 52- Alto Forno
Fonte: O autor
146
Turma 2º D
Foram formados 4 grupos de 3 alunos e 3 grupos de 4 alunos. Total de 24
alunos.
1º Grupo - D1
Escreveram que: o aluno esquematiza o forno dentro da fábrica, mostrando
apenas o básico de seu funcionamento, já o esquema da fábrica, mostra ela como
um todo, indicando o nome das peças, temperatura e também apresenta vários
detalhes importantes do AF.
Fizeram comentário da seguinte figura.
Figura 53- Alto Forno
Fonte: O autor
2º Grupo - D2
Um dos relatos do grupo: Podemos perceber no esquema que as diferenças
de temperatura estão bem representadas e quanto o do aluno não, o esquema está
mais detalhado, o aluno está mais simples e menos representativo.
Comentaram da seguinte figura.
147
Figura 54- Alto Forno
Fonte: O autor
3º Grupo - D3
Um dos relatos do grupo: No desenho do aluno o AF está sendo aquecido por
uma fogueira, parecido com um caldeirão.
No desenho do aluno não existe a transportadora de minério nem o
alimentador. Já o verdadeiro existe o transportador levando o minério ao
alimentador, e passando por várias etapas do AF como: placas de desgaste, goela,
cuba, ventre, rampa e cadinho. No fim do processo é separado o ferro-gusa da
escória.
Comentaram sobre a figura seguinte.
Figura 55- Alto Forno
Fonte: O autor
148
4º Grupo - D4
Alguns relatos do grupo foram: No AF principal, passa por várias etapas até
transformar no ferro gusa e no desenho passa por um sistema aberto.
No desenho não tem separação da escória com o ferro. A temperatura do
desenho parece ser baixa enquanto do AF tradicional chega a uma temperatura
extremamente alta.
Analisaram a figura seguinte.
Figura 56- Alto Forno
Fonte: O autor
5º Grupo - D5
Um dos relatos do grupo: O verdadeiro AF é cromado e muito forte para
suportar altíssimas temperaturas. Tem uma saída própria do minério derretido, com
injeção de ar, tem a saída de ferro-gusa e saída de escória.
Comentaram da seguinte figura.
149
Figura 57- Alto Forno
Fonte: O autor
6º Grupo - D6
Comentário na integra: No desenho do aluno ele explica o processo com suas
palavras mostrando a entrada de gusa até a formação do aço de um modo
simplificado, sem mínimos detalhes.
Já o desenho do verdadeiro AF; mostra as diversas formas do AF, demonstra
a transportação do minério de ferro até o alimentador e logo depois há uma injeção
de ar que a medida que o ferro vai caindo a temperatura vai aumentando e no final
ocorre a separação do ferro-gusa e da escória.
Comentaram sobre a figura.
Figura 58- Alto Forno
Fonte: O autor
150
7º Grupo – D7
Escreveram que o desenho do aluno não possui nada que mostre onde o ar é
injetado, não mostra a saída de escória e do ferro, não indica temperatura e não
possui a estrutura existente ao redor do AF. Ainda por cima não mostrou a
quantidade exata de ferro que deve ser colocado.
Comentaram sobre a figura.
Figura 59- Alto Forno
Fonte: O autor
ATIVIDADE Nº 4
Encaminhando a discussão:
A percepção dos alunos acerca dos fenômenos envolvidos nessas atividades
é muito boa, verifica-se isso através de experiências em sala de aula na aplicação
das mesmas e verificando cada resposta dada pelos alunos. Esta atividade envolveu
81 alunos distribuídos num total de 21 grupos em quatro turmas.
Todos os grupos concordaram que o minério entra pelo topo do AF e a
grande maioria associou isso ao aumento na temperatura ao ir descendo no AF.
Como exemplo a resposta de um grupo de alunos: Ele precisa ser colocado por cima
para ser derretido aos poucos. E outro grupo respondeu: o minério tem que
transformar no ferro-gusa e a maior temperatura está em baixo.
151
Também identificaram com grande facilidade que a saída de ferro-gusa é em baixo.
Alguns grupos relataram que a saída de ferro-gusa é mais em baixo que a escória
por ter maior densidade.
Apesar dos alunos não terem muito ânimo para fazer leitura eles
responderam acerca do que é o minério de ferro, o coque e o calcário, porem
tiveram dificuldades em responder sobre qual a necessidade desta composição.
Quase 34% dos grupos não responderam esta pergunta, uma pequena parte
respondeu satisfatoriamente, como exemplo cito a resposta de um grupo: esta
composição é necessária porque o coque e o carvão é o material que é misturado
no minério para fundir e virar ferro, e para separar impurezas.
Também foi obtido bom resultado para as perguntas: o que é o ferro-gusa e escória?
Que outras substâncias são produzidas no AF? E o que acontece com elas? São
perguntas que na leitura do texto a maioria dos grupos identificou as respostas e
transcreveu-as. Como exemplo de respostas dado por um grupo de alunos para as
duas últimas perguntas tem-se: o gás de AF é limpo para depois ser usado e o pó de
AF é usado na sinterização e também vendido para fábricas de cimento.
ATIVIDADE Nº 5
Encaminhando a discussão:
Essa atividade envolveu 92 alunos de quatro turmas da 2ª série do ensino
médio com um total de 21 grupos formados. Para se ter uma ideia das respostas
dadas por esses grupos, faço exposição aqui da mesma.
Concernente a primeira pergunta a maioria tiveram dificuldade de interpretá-la
e não sabiam respondê-la. Mas quando eles me chamavam nas carteiras para pedir
ajuda nesta questão, eu perguntava para eles. O material que é colocado no AF
entra por onde? Qual é o material que entra? O que sai é aço? Aí eles entendiam
bem a questão e o resultado geral foram 85% de acerto.
Um grupo escreveu que entra minério de ferro sai ferro-gusa do AF e depois se
obtém o aço. Outro ainda escreveu que entra minério de ferro e sai do AF ferro gusa
e escória e do resfriamento do gusa que se forma o aço. Na formação do aço este
grupo cometeu falha, não é uma situação tão simples assim. Mas este trabalho
enfatiza até a formação do ferro-gusa. Não da ênfase a formação do aço.
152
Na questão dois não teve nenhuma discordância em relação a afirmação de
que a medida que o minério vai caindo a temperatura vai aumentando. Apenas
quase metade dos grupos é que explicaram corretamente a questão e como
exemplo de uns grupos transcrevo: Porque a zona de maior temperatura no AF é a
de combustão, a partir daí o calor vai se propagando para outras regiões, chegando
ao topo com uma temperatura menor.
Como resposta da questão três a maior parte dos grupos responderam; na
zona de combustão situa a injeção de ar e fica na parte de baixo do AF. E como
necessidade do ar injetado copiou do texto os seguintes dizeres: o ar aquecido
injetado pelas ventaneiras queima o coque, originando gás e enorme quantidade de
calor.
O resultado da questão quatro não foi bom, apenas dois grupos acertaram a
conversão da velocidade de m/s para km/h. Alguns grupos dividiram por mil e
apenas um grupo dividiu por 3,6. Já a segunda parte desta questão nenhum grupo
acertou. Creio que a maior parte dos alunos não teve o conteúdo de Hidrostática na
série anterior, por que nesta escola são duas aulas semanais de física e este
conteúdo fica em falta para os alunos.
Como um todo o nível das respostas está bom, na questão cinco, por
exemplo apenas um grupo não concordou que no texto há confirmação de que, as
cores indicam variação na quantia de calor. A justificativa do grupo é a seguinte: na
ilustração do AF a parte mais quente era para estar com a cor mais próxima do azul
e não amarelo como está na ilustração, pois quanto mais quente mais azulado fica.
A maioria dos grupos apenas respondeu sim sem justificar, mas alguns justificaram
copiando as três primeiras linhas do texto 5.2. O que abona a resposta.
Deparei com muitas situações em que o grupo num tinha lido os textos, mas
falei que teria de fazer a leitura para poderem responder corretamente as perguntas.
Isso é falta do habito de leitura da maioria dos nossos alunos. Na questão seis por
exemplo 100% dos grupos responderam que não é possível numa chama ter mesma
temperatura e com exemplo do texto eles argumentaram que a chama da vela não é
homogênea as regiões apresentam cores diferentes, nessas regiões as
temperaturas não são as mesmas por exemplo a região mais quente é a parte azul
da vela. Alguns fatores que proporcionaram aos alunos acertarem essa questão e
outras é que os textos são pequenos e fáceis de ser entendido. Isso tem estimulado
a leituras deles.
153
Como resposta ás questões sete e oito foi o seguinte: na sete a grande
maioria procurou colocar as mesmas cores vistas nas figuras de AF, como exemplos
têm as figuras 59 e 60 a seguir. Isso é bom porque creram que cores diferentes
representam temperaturas diferentes e acompanharam o que estava correto. E
referente à questão oito, também na quase totalidade dos grupos disseram ser
semelhantes sim, porque as cores usadas por eles foram iguais a do desenho.
Figura 60- Alto Forno
Fonte: O autor
Figura 61- Alto Forno
Fonte: O autor
154
Agora, uma das questões onde há grande discrepância nos resultados é a
nove. Muitos grupos quiseram que eu viesse a dar as respostas para eles porque
diziam não saber. Eu disse para colocarem a temperatura que eles acharem correta.
Lembro que quando estava atendendo a um grupo perguntei a um jovem qual é sua
temperatura, ele pensou um pouquinho e respondeu: “uns 120”. Seu colega do lado
fez cara de espanto e falou que era 36. Outro detalhe nesta questão é a colocação
da unidade de medida de temperatura para muitos grupos.
Também nenhum grupo me perguntou se a temperatura era na superfície do
Sol, ou qualquer outro lugar. Até mesmo para a chama da vela ou chama de fogão
ou brasa de carvão.
Alguns resultados dados pelos grupos:
Sol - 6000ºC, 360000000 ºC, acima de 10 000 ºC, 7.109, 50 000 000º,
Chama de vela- 46 graus, 60ºC, 5ºC, 50ºC, 100ºC, 245ºC, 20ºC
Chama de fogão- acima de 100 000 graus, 200ºC, 80ºC, 200ºC, 390 ºC, 35ºC
Brasa de carvão- 80ºC, 50ºC, 150ºC, 50ºC, 300ºC, 60ºC, 1100ºC
ATIVIDADE Nº 6
Encaminhando a discussão:
Sobre a pergunta, por que o minério não é colocado na parte inferior do AF,
os alunos de maneira geral escreveram que o minério é colocado na parte superior
do AF porque ao cair recebem calor dos gases que sobem. E ainda alguns citaram
que o minério precisa passar por etapas. Esta questão, a meu ver foi muito
importante, pois dá ao aluno uma boa ideia de como o minério vai sendo derretido
pela troca de calor.
Desenvolvido a primeira questão os alunos na sua quase totalidade sabe (até
mesmo por intuição ) que na parte inferior do AF o estado físico da matéria é liquido.
Com isso a maioria dos alunos relatou que o minério começa a derreter, digamos
assim, do meio do AF para baixo. E um número de aluno que está em torno de 80%
refere às zonas de gotejamento, de amolecimento, de combustão como lugar em
que o minério é derretido. Como situação geral, acho que se trata de um bom
resultado, mas respostas mais completas se encontram, como: o minério começa
155
ser derretido na zona de gotejamento e o restante que não foi derretido acaba sendo
derretido na zona de combustão, ele é derretido através do calor da zona de
combustão.
Essa atividade foi de fácil entendimento pelos alunos. Tiveram ideia clara que
se colocar minério no alimentador em maiores quantidades do que o planejado a
produção de ferro gusa fica comprometida porque o resultado final não é totalmente
líquido, podendo haver resíduos de minério sólido. Isso foi resposta de um grupo de
alunos, mas podemos falar que ela representa a grande maioria das respostas dos
alunos.
Como já dito em outra situação os alunos têm desanimo de ler e na questão
quatro que fala se uma das ventaneiras parar de funcionar, o que ocorre na
fabricação de ferro-gusa? A maioria dos alunos teve dúvidas nessa questão e me
perguntavam sobre as ventaneiras e disse que no AF há umas 30 ventaneiras que
sopram ar quente e carvão pulverizado para combustão para dentro dele. Bem, de
posse dessa informação a maior parte dos grupos escreveu que há uma perda de
calor e/ou queda na produção de ferro-gusa.
Na quinta questão que fala dos gases aquecidos o que acontece com sua
densidade? E qual movimento tendem a ter com isso? Até aqui se trata de uma
questão de alto índice de acerto, mas para explicar por que ocorre tal movimento,
menos da metade teve sucesso e a maioria copiando do texto, que é válido o
problema é quando se copia pela metade.
Na questão seis não houve discordância na pergunta e uma resposta de um
grupo é a seguinte: sim, pois, o ar quente que é menos denso tem a tendência de
subir, e o ar frio descer, assim forma-se os ventos. Muitas respostas estão sucintas
assim e um pouco incompletas, mas não podemos desprezá-las.
Atividade para casa
Referente à atividade para casa (Texto – Mudanças de Fases da Matéria) os grupos
de aluno tinha cinco perguntas para responder e a primeira 87 % dos grupos
responderam corretamente o que é de se esperar porque se trata de uma questão
bem elementar. Já a segunda questão o estudante precisa de interpretar bem o
texto, mais especificamente as leis da fusão. E como de maneira geral os nossos
alunos têm preguiça de pensar, o resultado esperado não foi o desejado, apenas
156
12,5% acertaram essa questão. Uma das respostas é a seguinte: porque há uma
absorção de calor latente (específico de cada substância) ocorrendo assim a
mudança de fase. Vários grupos fizeram cópia do texto, entendendo que a resposta
era: Quando uma substância se funde, de modo geral ela aumenta de volume. Para
uma substância que tenha este comportamento, observa-se que um aumento na
pressão exercida sobre ela acarreta um aumento em sua temperatura de fusão.
Foram pedidos para os alunos pesquisarem o valor do Calor latente de fusão
e vaporização do ferro. Como nossos alunos estão aprendendo ainda a pesquisar,
podemos considerar satisfatório o resultado de 12,5 % dos grupos encontrarem
corretamente o valor pedido. Um grupo extraiu o valor do site:
http://www.fisica.ufs.br/egsantana/estadistica/otros/fusion/fusion.htm e justificou
adequadamente. Outro grupo teve como fonte: koshkin N.I., M. G. Manual de Física
Elementar, Edt. Mir (1975). 25% dos grupos deixaram a questão em branco, 25%
também colocaram foram os valores das temperaturas de fusão e ebulição do ferro.
Outros ainda apenas falaram o que é calor latente de fusão e vaporização.
Na penúltima questão a grande maioria dos grupos citou bons exemplos de
evaporação, como uma roupa secando ao sol, a água que evapora dos rios, mares,
lagos e até do nosso corpo. Porém o que acontece com a temperatura do líquido
que evapora não teve resposta adequada. Alguns escreveram que a temperatura do
líquido aumenta entendo erroneamente que o texto menciona isto.
Uma situação que os alunos associam bem quando se fala de aumento da pressão
é com a panela de pressão. E na última questão a maioria dos grupos fez essa
citação. Encerrando assim essa atividade.
ATIVIDADE Nº 7
Encaminhando a discussão:
A seguir deixo como referência uma discussão das respostas dos meus
alunos referente essa atividade que envolveu 89 alunos distribuídos em 20 grupos.
Esta atividade eu apliquei em duas turmas, nas outras duas foi por uma
professora de português. Nas duas turmas que a atividade não foi aplicada por mim,
em uma dessas salas fui tirar dúvidas. Na outra turma ficou sem a minha
assistência.
157
No geral as quatro turmas são bem homogêneas, e uma questão que um
grupo teve dificuldade os demais também tiveram. E a questão fácil para um grupo
geralmente foi fácil para os demais.
Quando um grupo pergunta acerca de uma questão faço “rodeios” muito das
vezes com perguntas, inferências até voltar à questão que eles me fizeram. Induzo
os alunos a pensarem até por fim saberem responder a questão que eles me
propuseram
Os alunos tiveram bom entendimento de que os tijolos do AF tentam impedir a
propagação do calor com o ambiente externo. 85% dos alunos responderam sim e
tiveram justificativa regular. Como exemplo, transcrevo a resposta de um grupo: O
tijolo tem o poder de armazenar calor impedindo que haja troca de calor com o
ambiente. Até na turma que não teve minha assistência de seis grupos formados
apenas um respondeu negativamente. Os grupos que não concordaram que o AF é
composto de uma fôrma com tijolos que impede a troca de calor com o ambiente,
extraíram do texto 7.2 que o AF é constituído de chapas de aço soldadas. Como os
metais são bons condutores entenderam que os tijolos são assim. Mas eles não
entenderam que esta estrutura metálica fica externamente ao AF e que os tijolos é
que ficam por dentro.
Uma das questões que os alunos tiveram menor dificuldade foi a segunda. A
maioria dos grupos relatou que a panela de pedra tem vantagem por demorar mais a
esfriar e a de alumínio vantagem em esquentar rápido. Um grupo ainda colocou
como parte de sua resposta que a panela de pedra tem maior calor específico que a
panela de alumínio, o que mostrou bom conhecimento do fenômeno. Uma
observação: na nossa região usam-se bastantes panelas de pedra. Essa pedra é
semelhante à pedra sabão, uma pedra macia que se usa muito em esculturas.
Concernente a questão 3 muitos alunos inicialmente não estavam
entendendo. Para alguns falei para ler no primeiro texto o assunto Estudo
quantitativo do fluxo de calor. Teve ainda dúvida, aí eu perguntava: Quanto maior a
espessura do tijolo, maior o fluxo de calor ou menor o fluxo. Quero dizer o fluxo de
calor e diretamente proporcional a espessura do tijolo ou inversamente. A maioria
dos alunos respondia corretamente e eu fazia um gesto afirmativo e como resultado
geral a maior parte dos alunos acertou a questão. Já na turma onde não marquei
presença, todos responderam a questão, mas apenas um grupo foi bem sucedido
158
escrevendo: porque visto pela espessura é de quase ou 1m, haverá menor
condução de calor devido à espessura ser um pouco mais grossa.
A questão quatro, na turma que eu não assisti nenhum grupo sequer igualou
as duas equações, não souberam interpretaram a questão. Nas outras três turmas
um número pequeno de grupos igualou as duas equações e conseguiram isolar a
constante k. Sendo que nenhum substituiu as grandezas pelas unidades,
consequentemente não chegando à resposta. A minha ajuda nesta questão limitou-
se apenas a falar para igualar as equações e isolar a constante k. Não pude ajudar
mais por motivo de tempo o que foi uma pena.
Não me lembro de ter auxiliado algum grupo na questão cinco, pelo
contrário, falei que eles teriam capacidade de resolver lendo o texto.
Como nossos alunos não gostam de ler e esquece com facilidade o assunto que já
foi estudado (Transferência de Calor), o resultado não foi bom, a melhor resposta
dada foi a seguinte: Três maneiras: radiação, condução e convecção. Os tijolos
refratários usados no AF ajudam a evitar a propagação de calor por radiação e
também por condução. Pena que esse grupo não fez a justificativa. Não foi
encontrada resposta em branco para essa questão, nem para outras anteriores
exceto poucas para a questão quatro. Nessa questão cinco teve contradição nas
respostas onde alguns respondiam convecção e condução e ao mesmo tempo
copiavam do texto os dizeres; os tijolos refratários usados no AF ajudam a evitar a
propagação de calor por radiação e também por condução. Também houve muitos
nomes errados ao escrever condução, convecção e radiação.
ATIVIDADE Nº 8
Encaminhando a discussão:
Apliquei esta atividade nas quatro turmas de 2ºs anos com envolvimento de 87
alunos distribuídos em 21 grupos.
Faço aqui comentários das respostas dos alunos deixando disponível para
conferência dos colegas professores de física.
Como essa atividade não é grande e os alunos são desanimados a ler,
fizemos uma leitura compartilhada do texto com comentário, principalmente acerca
159
do calor específico, ressaltando: quem tem calor específico alto como a água,
demora a esquentar, mas também demora a esfriar. Já calor específico baixo,
esquenta rápido e esfria rápido, como a areia. Citando exemplo dos desertos que
durante o dia a temperatura é alta e a noite muito baixa.
Na primeira questão tiveram muitas dúvidas, e ao me chamar nas suas
carteiras, conduzia-os a refletir, como exemplo, perguntava o que era
superaquecimento e eles respondiam certo. Enfatizava que a água estava passando
e evitava o superaquecimento. O que ela estava fazendo para evitar esse
aquecimento? Com perguntas mais ou menos assim ajudava-os a raciocinar e
sempre tinha um que respondia certo, fazendo eu sinal afirmativo, plainava então um
ambiente agradável e de satisfação. Pela leitura das respostas pude contemplar na
sua maioria respostas corretas. Em que a água estava retirando calor e evitando o
superaquecimento. De posse desse entendimento muitos alunos extraíram as
seguintes frases do texto e usaram como resposta. a água possui calor específico
igual a 1,0 cal/g.oC, o que é considerado um valor elevado, isso faz com que ela
possa tanto ceder como absorver muita quantidade de calor sem que haja alteração
no seu estado físico.
Na segunda questão senti que eles estavam mais seguros, perguntaram
menos. Mas pude constatar que menos da metade deram respostas que satisfaz a
pergunta, como a de um grupo: com o ar a refrigeração não será tão eficiente como
a água; pois o ar tem o calor específico menor que da água.
Muitos alunos tiveram dúvidas ao responder se os tijolos do AF têm baixo ou
alto calor específico. E diante de cada grupo eu fazia perguntas como: o material
dos tijolos são bons condutores de calor como os metais? Os metais têm alto ou
baixo calor específico? Perguntas desse tipo fizeram com que eles tirassem suas
conclusões e pude apreciar boas respostas como essa de um grupo: os tijolos do AF
têm alto calor específico porque mantém a temperatura elevada por muito tempo e
não se esfria fácil. Mas também teve respostas com contradição em que o aluno
disse: tem baixo calor específico, porque é um bom isolante térmico. E ainda grupos
que escreveu que tem baixo calor específico porque tem a finalidade de esquentar
rápido e também esfriar rápido.
Os alunos na sua maioria colocaram que o sistema de refrigeração dos
automóveis é no radiador, identificaram com facilidade que se usa água para
160
refrigerar. Uma minoria falou que se usa o ar também. Um grupo deu como resposta
carburador e outros citaram junto com o radiador a ventoinha.
Na questão cinco os alunos de maneira geral tiveram dificuldade como
determinar a quantidade de energia para elevar a temperatura de 5 kg de ferro de 20
ºC a 100 ºC e também para a água. Mas eu perguntava para eles, que energia é
essa que é falada no texto? Sempre tem um aluno no grupo que responde
corretamente. E aí foi fácil identificar no texto a equação. Mas analisando suas
respostas pude ver que a maioria dos grupos não transformou a unidade de
quilograma para grama. Uma menor parte fez a transformação adequada.
Quando se trata de uma questão com resposta mais extensa os alunos de
modo geral tem dificuldades de acertar e foi o que ocorreu na questão que pediu
para explicar porque uma brisa sopra do mar para a terra durante o dia e em sentido
contrário á noite. Poucos grupos explicaram bem a questão e cito a resposta de um
grupo: durante o dia a brisa sopra do mar para a areia, pois a areia possui um calor
específico baixo permitindo que o ar que está na areia suba e o ar que está no mar
preencha o que estava na areia. E a noite o ar que está no mar sobe e o ar presente
na areia preencha esse vazio. Uma observação interessante é que um grupo pegou
o livro e copiou da lá a explicação.