26 – SIDERURGIA III – Aços

Aço é qualquer ferro forjável que não precisa de um tratamento posterior, e, sendo liga de Fe+C+elementos obtida a partir de ferro gusa, sofre em seu processo de produção, a "descarbonização" ou "refino", que consiste em diminuir o seu teor de carbono pela oxidação.

(forjável:- material que aquecido a vermelho, abaixo de seu ponto de fusão, pode ser trabalhado e moldado sob ação mecânica.)

Ferro :-  baixo teor de C ( até 0,008%)

Ferro gusa:- possui 3-4% de C, é duro e frágil.

Aço :- acima de 0,008% e máximo de 2,06% de C.

(Arame:- baixo teor de C, é mole e dúctil, aumentando-se o teor de carbono, torna-se duro e frágil. )

Classificação:-

1) Aços carbono:- (0,008% -2,06% de C)          

     a) de construção : até 0,6% de C

     b) de ferramentas: 0,6% até 2,06% de C (cimentita)

2) Aços especiais:- Ligas de Fe + C + elementos (Ni,Cr,W,).

    Fe3C ...Cimentita   duro e frágil

    Fe .....Ferro puro  mole e dúctil.

(2%) :- máxima solubilidade do carbono no ferro, a temperatura de 1147oC.

(6,67%) :- teoricamente, o máximo teor de carbono possível em liga de ferro.

Processos e Fornos.

Cubilô :- forno de  tipo  intermitente  de refusão,  trabalha  aprox.   16 horas, e interrompe-se o funcionamento por  razão  de  desgaste do refratário na região de entrada de ar.

É vertical,  feito  em  chapas de  aço, revestido internamente por refratários.

Possui  fundo  móvel,  importante   na  paralisação do forno, quando a abertura deve ser rápida com a retirada imediata da carga, evitando sua solidificação no interior do mesmo.

Na partida, deve-se aquecê-lo antes da introdução  dos  materiais , coloca-se madeira e óleo combustível no fundo do forno  e  quantidade  de "pé de coque".

Faz-se aquecimento a 1400oC , fecha-se a abertura de saída da escória, faz-se passar   ar  pela  caixa  de  vento, e carrega-se  o  "cubilô"  com  camadas sucessivas do material.

Pé de coque:-  é a  quantidade de coque necessária para manter o aquecimento.

Relação de carga:- Ferro 8kg (aprox. 6kg de ferro +  2kg de sucata. Coque 1,5 Kg. Fundentes (fluorita, calcário) 0,33kg.

Modificações químicas:- (S) absorvido pelo ferro, (C) coque, parte absorvida. (P) quantidade que entra sai. (SiO) vai a SiO2 eliminado na escória. (Mn) eliminado como óxido.

Béssemer:-

Procedimento para purificar o gusa, baseado no fato de que quando se insufla ar através de uma massa de ferro fundido, as impurezas, ( carbono, silício, fósforo etc ) são oxidadas inicialmente, obtendo-se um metal dúctil e maleável, sendo praticamente o ferro doce.

O forno, (conversor) é basculante , movimentando-se para posições de carga e descarga.

Seu fundo tem grande desgaste com necessidade de renovação freqüente . É fabricado em chapas de  aço e revestido internamente por material silicoso, funciona em processo ácido, e possui orifícios através dos quais sopra-se um forte jato de ar.

O forno é instalado próximo ao AF., pois trabalha parcialmente com carga de gusa líquida.

Carga:-   sólida ...minérios e resíduos  ( vertical )

               líquida...gusa  ( horizontal )

1. Recebe a carga sólida ( minério e sucata de laminação ) em posição vertical.

2. Recebe a carga líquida ( gusa fundido ) em posição horizontal para que a fase líquida não passe pelos furos.

3. Injeção de ar ( 1 a 2 minutos ) posição vertical, o ar produz oxidação do Si e do Mn desenvolvendo calor por reação exotérmica.

4. Adição de sucata em posição inclinada, quando já existe temperatura suficiente para sua fusão.

5. Retorno a posição vertical e injeção de ar até o fim da fusão ( 30-45 minutos )

6. Posição de despejo ( inclinada para baixo ).

Fatores que influem no processo Béssemer:-

1) Calor sensível- Temperatura física do gusa ou carga líquida ( mínima 1250oC ).

2) Calor latente- Energia liberada por reações   exotérmicas 

como:-   Si + O2 ---> SiO2 + 208 kcal (1kg de Si=7800 Kcal)

Reações:-

1.  2 Fe + O2 ---> 2 FeO            ( exo )

2.  Si + 2 FeO ---> SiO2 + 2 Fe     ( exo )

3.  Mn + 2 FeO ---> MnO2 + 2 Fe       ( exo )

4.  MnO2 + SiO2 ---> MnO2.SiO2      ( escória )

5.  FeO + SiO2 ---> FeO.SiO2   ( Perda de Fe na escória )

6.  2 C + O2 ----> 2 CO

7.  FeO + CO ---> Fe + CO2

A reação com o carbono apenas inicia-se após a reação total do Si e do Mn, não se consegue diminuir o teôr de carbono antes de eliminar totalmente  o Mn e o Si.

Havendo presença de enxofre, deve-se fazer antes um processo de dessulfurização.

Para uso com minerais com alto teor de fósforo, reveste-se o forno com dolomita (revestimento básico ) e junta-se óxido de cálcio e   carga de ferro fundido, continuando a soprar por mais tempo, quando os óxidos formados ( P, Si, Mn, ) são absorvidos pelo revestimento do forno.

Na substituição do revestimento desgastado por novo, o material retirado, é beneficiado ( moído ) e tem seu uso como fertilizante. ( é o chamado processo Béssemer básico ).

Processo LD

Processo desenvolvido em Linz e Donawitz na Áustria, usa forno semelhante ao do processo Béssemer com a diferença de uso de sopro de ar de oxigênio puro diretamente sobre o material em estado fundido, não através dele, e sim, sobre a superfície do mesmo, por meio de tubos de  aço sem costura.

O banho fundido adquire movimento intenso e inicia rapidamente uma forte reação que oxida as impurezas quase que simultaneamente.

Thomas:-

É um processo básico, ( CaO, MgO ) portanto seu revestimento é dolomítico.

Usa conversor semelhante ao do Béssemer, usando o CaO para a eliminação do fósforo e do enxôfre.

O mineral a ser utilizado deve possuir teor de Mn acima de 1%, desenvolvendo em sua oxidação reações exotérmicas.

O gusa usado, deve ter teor elevado de fósforo, pois não existindo Si, ( que reagiria com o revestimento ) usa a reação de oxidação do fósforo como fonte térmica.

A oxidação do fósforo proporciona temperatura necessária para as demais reações.

   2 P + 5/2 O2 ---> P2O5  + 370 kcal ( 1kg de P = 5400 kcal )

O fósforo eliminado com escória tem aproveitamento valioso como escória de Thomas (CaO.P2O5 ---> 25% de P2O5 )

Siemens-Martim

Processo básico, utilizando forno com dimensões de 25m de comprimento, 7m de largura, 2/2,5m de altura.

Usa como carga, mistura de ferro bruto ( 30% ) e sucata de  aço ( 70% ) . Elimina por completo as impurezas de Si, Mn, P e S, possuindo carga de aproximadamente 200 toneladas.

Trabalha com regeneração de calor e com entrada de ar e gás combustível.

Os gases após sua combustão a 1800oC (saída) deixam seu calor no empilhamento de material refratário.

As reações são semelhantes ao do processo Béssemer.

Insufla-se o ar para queimar o C , ocorrendo agitação da massa com distribuição de calor.

O Siemens-Martim trabalha em fornos de soleira (plataforma) aquecidas com gases em combustão.  As impurezas são oxidadas em elevadas temperaturas e separam-se.

A temperatura necessária para manter o metal em estado de fusão, provém da combustão de uma mistura de gases combustíveis e de ar, (em excesso), previamente aquecidos em câmaras com auxilio de gases provenientes da queima.

O aquecimento prévio da mistura de gases (1000oC) se obtém no próprio forno, em procedimento regenerativo, que consiste em inverter periodicamente a corrente de gases.

Fornos elétricos

Com vantagens de se poder regular as altas temperaturas e, acelerar o processo,  os fornos elétricos, não usam gases e portanto não se introduz impurezas (S), sendo ideal para a fabricação de  aços especiais.

Classificam-se como:-

 1. Arco voltaico  a) indireto

                            b) direto

 2.Indução.

Arco voltaico:-

Indireto:- Usa o arco voltaico com fonte térmica. Consiste de forno com eletrodos de grafite ( 80% de carbono ), onde por meio de descarga elétrica, obtêm-se a energia térmica suficiente para o processo ( 3500oC ), que é transmitida   carga por meio de radiação.

Direto:- é forno de caráter ácido, em sistema basculante, com diâmetro de aprox. 6m , usa também o arco voltaico onde a carga é um dos pólos, e o arco se dá, entre a mesma e um sistema de eletrodos.

É composto de três partes:- soleira, parede e abobada, trabalhando com três eletrodos de grafite.

Sistema de pistões movimentam os eletrodos, distanciando ou aproximando-os da massa, controlando assim o arco formado.

Possui sistema de refrigeração no corpo do forno e na bica de corrida, utilizando água.

Alguns sistemas usam cadinhos (panelas) substituíveis removidas por meio de guinchos .

Após fusão da sucata pelo arco, faz-se a injeção de oxigênio para a complementação da reação.

Indução.

Baseia-se no princípio de que em bobina onde circula corrente alternada, cria-se um campo magnético, que muda constantemente, e pode fundir um metal colocado em canal que envolve a bobina, porque se origina nele por indução  uma corrente elétrica em curto-circuito, produzindo rapidamente temperaturas elevadas.

Aços Especiais

Aços normais não resistem ao ataque de agentes atmosféricos ou químicos, sobretudo em altas temperaturas.

Se ao aço se liga o cromo, resiste a altas temperaturas:

6% de Cr até 800oC  - 20% de Cr até 1200oC.

O  aço torna-se tenaz com a adição de Ni, resistente a ruptura com Mo , de alta dureza com Mn e de extrema dureza com Cr e W.

aço rápido .....15/18% W - 2/5% Cr -  0,6/0,8% C

aço cromo  ..... 6,2% Cr  - 0,65% C  - 0,17% Mn - 0,07% Si

 aço inox ( vários ) 15/20% Cr - 5/9% Ni - 0,1/0,3% C

 aço baixo coef. dilatação 36/46% Ni ( = vidro e platina )

 aço de resistência química  13/16 Cr% - 0,5% Ni.

Normas nacionais e internacionais fixam composição dos diversos  aços especiais, bem como valores para suas várias propriedades.

Para ser considerado inoxidável, o  aço deve formar na superfície, por aço do oxigênio, fina película protetora de óxido de cromo.

A película se forma quando o teor de cromo livre na liga é da ordem de 13%, ou mais.

Outros elementos, como níquel, molibdênio e cobre podem ser adicionados, tanto para conferir ao aço estrutura específica, como para melhorar, a resistência a corrosão.

Os  aços inoxidáveis são divididos em quatro tipos básicos, conforme a estrutura metalográfica.

a)  aços ferríticos, contendo entre 13% a 30% de cromo.

b)  aços martensíticos, com teor de cromo entre 13% e 20% e alta percentagem de carbono.

c)  aços austeno-ferríticos, com níveis de cromo de 18% a 26% e cerca de 5% de níquel.

d) aços austeníticos, contendo entre 15% a 26% de cromo e de 7% a 25% de níquel.

Os  aços inoxidáveis mais comuns são austeníticos, embora tanto os austeno-ferríticos  como  os ferríticos sejam muito empregados.

Os ferríticos, apresentam certas desvantagens, como baixa resistência mecânica e susceptibilidade a corrosão intergranular após soldagem. (a resistência a corrosão é determinada pela composição química do  aço).

Os  aços martensíticos, tem sido usados principalmente em materiais com elevado grau de dureza (lâminas de facas).

As ligas de  aço inoxidável pioneiras foram desenvolvidas durante a Primeira Guerra Mundial e eram apenas ligas Ferro-Cromo (Fe-Cr).

.A escolha do material correto para uma determinada aplicação na indústria, exige conhecimento das propriedades físico/químicas das ligas disponíveis e das condições de trabalho da planta, seja ela química,  petroquímica, do setor de papel e celulose ou da área de alimentos.