MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOINSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE

CURSO TÉCNICO DE ELETROMECÂNICADISCIPLINA DE MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA

Metalurgia

Introdução

Os metais encontrados no estado nativo são o ouro, a prata, a platina, o cobre, o arsênico e o bismuto. Estes metais eram encontrados na superfície terrestre ou próximo desta, na condição metálica sob a forma de pepitas ou de massas brutas e foram empregados por diversos povos antigos. O aspecto brilhante destes metais e a capacidade de serem conformados por martelamento sem aquecimento prévio, os tornavam materiais interessantes para a fabricação de ferramentas, armas, recipientes e ornamentos.

Evidências arqueológicas indicam que o conhecimento do processo de obtenção de cobre, a partir de seus minérios, existia antes do ferro ser intencionalmente produzido pelo homem. O cobre produzido pela redução era obtido no estado líquido e os produtos podiam ser formados por meio da fundição em moldes ou pelo martelamento de partes. E podia ser suficientemente endurecido por martelamento, que o tornava útil para diversos propósitos.

Os fornos primitivos tinham a capacidade de fundir misturas de cobre e estanho, que formavam os bronzes, e cobre e zinco, que formavam os latões. Entretanto a elevada temperatura de fusão do ferro tornava sua fusão muito difícil, mas não impossível.

Não há um registro preciso de quando o homem começou a produzir ferro pela redução de seus minérios. De fato, diversos povos em diferentes localidades dominavam estas técnicas, sendo que alguns não registravam isso por meio da escrita. As referencias escritas mais antigas, sugerem que o ferro foi empregado na Índia e na China por volta de 2000 AC. Entretanto, não foi possível determinar se o ferro foi reduzido pelo homem. A redução deliberada dos óxidos de ferro entre 1350 AC e 1100 AC é citada em regiões geograficamente extensas no mundo antigo.

Os povos antigos só dispunham de três fontes de ferro: ferro de meteoritos (fragmentos de meteoritos), ferro nativo, telúrico ( basalto:uma rocha vulcânica que contem ferro ou a awaruita (FeNi2) ou a josephinita (Fe3Ni5)) e os minérios ferrosos reduzidos pelo homem.

As duas primeiras fontes são muito raras e indicam que a maioria dos artefatos antigos foi produzida pela extração do ferro a partir dos minérios de ferro.

Minério de ferro

Nos processos siderúrgicos o minério de ferro, juntamente com o calcário e o carvão, constituem matéria prima básica, e é do minério de ferro (matéria prima essencial) que extrai-se o ferro.

Os minerais que contém ferro em quantidades apreciáveis são os óxidos, os carbonatos, sulfetos e silicatos, destes os principais são os óxidos: magnetita, hematita e limonita.

Para que possa ser utilizados no processo no processo de obtenção ferro gusa é necessário que o minério de ferro seja beneficiado, ou seja, é necessário alterar suas características físicas e químicas e torna-los mais adequados para a utilização nos altos-fornos.

Isso acontece quando o minério de ferro é misturado com carvão sob temperaturas elevadas e assim são reduzidos para ferro metálico e desta forma está pronto para o alto -forno.

O beneficiamento do minério de ferro mais utilizado é o de aglomeração que por sua vez pode ser realizado de três formas diferentes: a sinterização, a pelotização e a nodulização:

Como resultados desses processos obtemos:

Pelota, sinter e minério granulado

p

Fig. 01 – Minério de ferro

Carvão (coque)O carvão é o combustível sólido mais importante na siderurgia. Pode ser considerado, sua origem

é inegavelmente de vegetais submetidos a carbonização, apesar do carvão mineral também poder ser utilizado.

O carvão atua no processo em três sentidos simultaneamente:Como Combustível, como fornecedor de carbono para a redução do óxido de ferro e como

principal elemento de liga do ferro gusa.Aquecendo o carvão em ambiente fechado, sem o contato com o ar, as moléculas orgânicas

complexas que constituem o carvão, que se dividem, produzindo gases e compostos orgânicos sólidos e líquidos de peso molecular baixo e um resíduo carbonáceo relativamente não volátil.

Esse resíduo resultante da destilação do carvão é o coque, este processo chama-se coqueificação.O Coque apresenta maior poder calorífico e maior resistência mecânica quando comparado ao

carvão vegetal.Antigamente o coque era produzido em fornos primitivos que com o passar dos tempos foram se

desenvolvendo até chegar ao que temos hoje como Alto-forno.

CalcárioO calcário atua como fundente, ou seja, ele reage pela sua natureza básica com as substâncias

estranhas ou impurezas contidas no minério e no carvão – geralmente de natureza ácida – diminuindo o seu ponto de fusão e formando a escória, subproduto do processo clássico do alto-forno, em outras palavras, o calcário reage com as impurezas e forma a escoria.

Além do minério de ferro, do coque e do calcário outras matéria primas são utilizadas para na industria siderúrgica, entre elas está o minério de manganês e a sucata de aço, que assume papel importantíssimo pois não só corresponde ao reaproveitamento de material como também substituto para o ferro gusa na fabricação de aços.

O Alto-forno

O alto-forno é um reator do tipo chaminé no qual a carga sólida é descendente e os gases redutores ascendentes. É um equipamento contínuo e seu funcionamento é ininterrupto por anos, o alto-forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalurgia do ferro, atualmente apresentam aperfeiçoamentos técnicos em relação aos fornos mais rudimentares, onde geralmente os gases eram perdidos na atmosfera, melhorias que proporcionam uma crescente capacidade diária de produção.

5mm<Sinter<50mm

5mm<Pelotas<18mm 6mm< Minério

<40mm granulado

Num alto-forno, existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações químicas e se verificam, isto é, uma corrente sólida, representada pela carga que desce paulatinamente e uma corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente.

Os materiais contendo ferro (minério de ferro, sinter, pelotas), o coque e os fundentes são continuamente alimentados pelo topo. Ar aquecido entre 900°C e 1350°C, muitas vezes com adições de combustíveis líquidos, sólidos ou gasosos, é insuflado pelas ventaneiras posicionadas na parte inferior do forno. A combustão do coque previamente carregado e/ou do combustível injetado pelas ventaneiras, fornece o calor necessário ao processo e o gás para a redução dos óxidos. (Redução é o nome dado a reação química que reduz o oxigênio do minério transformando-o em ferro)

A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por gravidade reagindo com o gás que sobe, e a esse processo de da-se o nome de redução.

O ferro reduzido absorve carbono e fundido e escorre para o cadinho na parte inferior do forno. O fluxo combina-se com as impurezas do minério e com as cinzas do coque e forma uma escória que sobrenada o metal líquido do cadinho. Em períodos de tempo determinados, o metal líquido, chamado de ferro-gusa, e a escória do alto-forno são vazados do cadinho pela casa de corrida.

A matéria prima requer de 6 a 8 horas para alcançar o fundo do forno.

Produtos Obtidos no Alto-Forno

Ferro GusaO principal produto do alto-forno é o ferro gusa, também chamado de ferro de primeira fusão,

cuja utilização é feita na produção de ferro fundido e nas aciarias onde é utilizado para ser transformado em aço. O ferro gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre. De um modo geral, a maioria dos ferro gusas possíveis de serem obtidos em alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composições:

Carbono - 3 a 4,4%Silício - 0,5 a 4,0%Manganês - 0,5 a 2,5%Fósforo - 0,05 a 2,0%Enxofre - 0,20% máx.Para a produção de uma tonelada de ferro-gusa são necessários, em média, 1700 kg de minério de

ferro (na forma de sinter, pelota ou do próprio minério), 400 a 600 kg de coque ou outro combustível à base de C, 140 kg de cal (CaO) ou magnésia (MgO) e 1600 a 2000 kg de ar.

EscóriaUm outro produto do alto-forno é a escória, cuja composição varia igualmente dentro de largos

limites, isto é:SiO2 - 29 a 38%Al2O3 - 10 a 22%CaO + MgO - 44 a 48%FeO + MnO - 1 a 3%CaS - 3 a 4%Este material depois de solidificado pode ser utilizado como lastro de ferrovias, material isolante

etc... Sua mais importante aplicação dá-se na fabricação do chamado “cimento metalúrgico”.

Gás do Alto-FornoFinalmente, o gás de alto-forno é um subproduto muito importante devido ao seu alto poder

calorífico. Sua composição é a seguinte:CO2 - 13%CO - 27%H2 - 3%N2 - 57%Este gás é utilizado na própria usina siderúrgica nos regeneradores, fornos diversos de

aquecimento, caldeiras etc...

Nas figuras abaixo segue as representações esquemáticas de um Alto-Forno:

Fig. 02 – Representação esquemática da secção transversal de um Alto-forno

Fig. 03 - Instalação de um alto-forno incluindo o equipamento auxiliar principal