Produção do Aço

Em geral, o que chamamos de ferro, é, na verdade, aço. O ferro não tem resistência mecânica e é usado em grades, portões, e guarda-corpos decorativos em que se aproveita a plasticidade do material, trabalhando no estado líquido, permitindo a moldagem de desenhos ricamente detalhados. Já o aço, é empregado quando a responsabilidade estrutural entra em jogo. 

A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como adicionar-lhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão, etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela civilização industrial.

Basicamente, o aço é uma liga de ferro e carbono. O ferro é encontrado em toda crosta terrestre, fortemente associado ao oxigênio e à sílica. O minério de ferro é um óxido de ferro, misturado com areia fina. 

O carbono é também relativamente abundante na natureza e pode ser encontrado sob diversas formas. Na siderurgia, usa-se carvão mineral, e em alguns casos, o carvão vegetal.

PRODUÇÃO DO AÇO

O carvão exerce duplo papel na fabricação do aço. Como combustível, permite alcançar altas temperaturas (cerca de 1.500º Celsius) necessárias à fusão do minério. Como redutor, associa-se ao oxigênio que se desprende do minério com a alta temperatura, deixando livre o ferro. O processo de remoção do oxigênio do ferro para ligar-se ao carbono chama-se redução e ocorre dentro de um equipamento chamado alto forno.

Antes de serem levados ao alto forno (Figura 1), o minério e o carvão são previamente preparados para melhoria do rendimento e economia do processo. O minério é transformado em pelotas e o carvão é destilado, para obtenção do coque, dele se obtendo ainda subprodutos carboquímicos.

No processo de redução, o ferro se liquefaz e é chamado de ferro gusa ou ferro de primeira fusão. Impurezas como calcário, sílica etc. formam a escória, que é matéria-prima para a fabricação de cimento.

A etapa seguinte do processo é o refino. O ferro gusa é levado para a aciaria, ainda em estado líquido, para ser transformado em aço, mediante queima de impurezas e adições. O refino do aço se faz em fornos a oxigênio ou elétricos.

Finalmente, a terceira fase clássica do processo de fabricação do aço é a laminação. O aço, em processo de solidificação, é deformado mecanicamente e transformado em produtos siderúrgicos utilizados pela indústria de transformação, como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões, arames, perfilados, barras etc.                                 

Com a evolução da tecnologia, as fases de redução, refino e laminação estão sendo reduzidas no tempo, assegurando maior velocidade na produção.

Figura 1 – Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o equipamento auxiliar principal.

Classificações

As usinas de aço do mundo inteiro classificam-se segundo o seu processo produtivo:

• Integradas –que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação; participam de todo o processo produtivo e produzem aço.
• Semi-integradas - que operam duas fases: refino e laminação. Estas usinas partem de ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridas de terceiros para transformá-los em aço em aciarias elétricas e sua posterior laminação.

Além disso, em função dos produtos que preponderam em suas linhas de produção, as usinas também podem ser assim classificadas:

• De semi-acabados (placas, blocos e tarugos)
• De planos aços carbono (chapas e bobinas)
• De planos aços especiais / ligados (chapas e bobinas)
• De longos aços carbono (barras, perfis, fio máquina, vergalhões, arames e tubos sem costura)
• De longos aços especiais / ligados (barras, fio-máquina, arames e tubos sem costura

 

Etapas de Produção

O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão e cal. A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, redução, refino e laminação.

1. Preparação da carga

• Grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque.
• O produto resultante é chamado de sinter.
• O carvão é processado na coqueria e transforma-se em coque.

2. Redução

• Essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto forno.
• Oxigênio aquecido a uma temperatura de 1000ºC é soprado pela parte de baixo do alto forno.
• O carvão, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro em um metal líquido: o ferro-gusa.
• O gusa é uma liga de ferro e carbono com um teor de carbono muito elevado.

3. Refino

• Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e a sucata de ferro e aço em aço líquido.
• Nessa etapa parte do carbono contido no gusa é removido juntamente com impurezas.
• A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir semi-acabados, lingotes e blocos.

4. Laminação

• Os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos, cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química.

 

O MINÉRIO DE FERRO

É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles:

• Magnetita (óxido ferroso-férrico) → Fe3O4 (72,4% Fe).
• Hematita (óxido férrico) → Fe2O3 (69,9% Fe).
• Limonita (óxido hidratado de ferro) → 2FeO3.3H2O (48,3% Fe).

Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto teor de ferro).

O minério de ferro é composto por três partes a saber:

• Útil → parte que contém o ferro
• Ganga → impurezas sem valor direto
• Estéril → rocha onde o minério

O minério de ferro pode ser classificado como:

• Rico → 60 a 70% de Fe
• Médio → 50-60% de Fe
• Pobre → <50%

 

ASPECTOS QUIMICOS

 

Aspectos Químicos na Produção

Na Redução o óxido de ferro (FeO) é aquecido em fornos especiais (alto fornos), em presença de carbono (sob a forma de coque ou carvão vegetal) e de fundentes (que são adicionados para auxiliar a produzir a escória, que, por sua vez, é formada de materiais indesejáveis ao processo de fabricação). O objetivo desta primeira etapa é reduzir ao máximo o teor de oxigênio da composição FeO. A partir disso, obtém-se o denominado ferro-gusa, que contem de 3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Como resultado de uma segunda fusão, tem-se o ferro fundido, com teores de carbono entre 2 e 6,7%. Após uma análise química do ferro, em que se verificam os teores de carbono, silício, fósforo, enxofre, manganês entre outros elementos, o mesmo segue para uma unidade da siderúrgica denominada aciaria, onde será finalmente transformado em aço. O aço, por fim, será o resultado da descarbonatação do ferro gusa, ou seja, é produzido a partir deste, controlando-se o teor de carbono para no máximo 2%. O que temos então, é uma liga metálica constituída basicamente de ferro e carbono, este último variando de 0,008% até aproximadamente 2,11%, além de certos elementos residuais resultantes de seu processo de fabricação. O limite de 0,008% de carbono está relacionado à sua máxima solubilidade no ferro à temperatura ambiente (solubilidade é a capacidade do material de se fundir em solução com outro), enquanto que o segundo - 2,11% - à temperatura de 1148° C.

A Química do Aço

Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanho e uniformidade dos grãos que o compõem e, é claro, por sua composição química. Esta pode ser alterada em função do interesse de sua aplicação final, obtendo-se através da adição de determinados elementos químicos, aços com diferentes graus de resistência mecânica, soldabilidade, ductilidade, resistência à corrosão, entre outros. De maneira geral, os aços possuem excelentes propriedades mecânicas: resistem bem à tração, à compressão, à flexão, e como é um material homogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado, estriado e suas propriedades podem ainda ser modificadas por tratamentos térmicos ou químicos.

O aço, como os demais metais, se solidifica pela formação de cristais, que vão crescendo a diferentes direções, formando os denominados eixos de cristalização. A partir de um eixo principal, crescem eixos secundários, que por sua vez se desdobram em novos eixos e assim por diante até que toda a massa do metal se torne sólida. O conjunto formado pelo eixo principal e secundários de um cristal é denominado dendrita. Quando duas dendritas se encontram, origina-se uma superfície de contato e ao término do processo de cristalização, formam cada uma os graõs que compõem o metal, de modo que todos os metais, após sua solidificação completa, são constituídos de inúmeros grãos, justapostos e unidos

Figura 2 - Esquema estrutural de uma dentrita

A formação de cristais no ferro ocorre segundo dois tipos de reticulados: o Ø e ß. Ambos fazem parte de um sistema cristalino cúbico, ou seja, a unidade básica do cristal tem a forma de um cubo. No primeiro tipo de reticulado (Ø) denominado cúbico de corpo centrado (CCC), ao isolar-se a unidade básica do cristal, verifica-se que os átomos de ferro localizam-se nos oito vértices e no centro do cubo, enquanto que no segundo (ß) agora denominado cúbico de face centrada, os átomos ficam posicionados nos oito vértices e no centro de cada face do cubo.

Figura 3 - Estrutura cúbica de corpo centrado e cúbica de face centrada: representação esquemática e tridimensional

Além do ferro, o aço apresenta em sua constituição carbono e elementos de liga. Estes elementos vão formar junto com o ferro uma solução e, de acordo com a temperatura e a quantidade de carbono presente, haverá a presença de um determinado tipo de reticulado.

O aço é constituído de um agregado cristalino, cujos cristais (grãos) se encontram justapostos. As propriedades dos aços dependem muito de sua estrutura cristalina, ou seja, de sua composição química, do tamanho dos grãos, de sua uniformidade. Os tratamentos térmicos bem como os trabalhos mecânicos modificam em maior ou menor intensidade alguns destes aspectos (arranjo, dimensões, formato dos grãos) e, conseqüentemente, podem levar a alterações nas propriedades de um determinado tipo de aço, conferindo-lhe características específicas: mole ou duro, quebradiço ou tenaz, etc.

Propriedades do Aço

Suas propriedades são de fundamental importância, especificamente no campo de estruturas metálicas, cujo projeto e execução nelas se baseiam. Não são exclusivas dos aços, mas, de forma semelhante, servem a todos os metais. Em um teste de resistência, ao submeter uma barra metálica a um esforço de tração crescente, ela irá apresentar uma deformação progressiva de extensão, ou seja, um aumento de comprimento. Através da análise deste alongamento, pode-se chegar a alguns conceitos e propriedades dos aços:

• A plasticidade é a propriedade inversa à da elasticidade, ou seja, do material não voltar à sua forma inicial após a remoção da carga externa, obtendo-se deformações permanentes. A deformação plástica altera a estrutura de um metal, aumentando sua dureza. Este fenômeno é denominado endurecimento pela deformação à frio ou encruamento.
• A ductilidade é a capacidade do material de se deformar sob a ação de cargas antes de se romper, daí sua grande importância, já que estas deformações constituem um aviso prévio à ruptura final do material, o que é de extrema importância para previnir acidentes em uma construção, por exemplo. A fragilidade, oposto à ductilidade, é a característica dos materiais que rompem bruscamente, sem aviso prévio (um dos principais fatores responsáveis por diversos tipos de acidentes ocorridos em pontes e navios).
• A resiliência é a capacidade de absorver energia mecânica em regime elástico, ou seja, a capacidade de restituir a energia mecânica absorvida. Já a tenacidade é a energia total, plástica ou elástica, que o material pode absorver até a ruptura. Assim, um material dúctil com a mesma resistência de um material frágil irá requerer maior energia para ser rompido, portanto é mais tenaz.
• A fluência é mais uma outra propriedade apresentada pelo aço e metais em geral. Ela acontece em função de ajustes plásticos que podem ocorrer em pontos de tensão, ao longo dos contornos dos grão do material. Estes pontos de tensão aparecem logo após o metal ser solicitado por uma carga constante, e sofrer a deformação elástica. Após esta fluência ocorre a deformação continua, levando a uma redução da área do perfil transversal da peça (denominada estricção). Tem relação com a temperatura a qual o material está submetido: quanto mais alta, maior ela será, porque facilita o início e fim da deformação plástica. Nos aços, é significativa para temperaturas superiores a 350° C, ou seja, em caso de incêndios.
• É importante citar ainda a fadiga, sendo a ruptura de um material sob esforços repetidos ou cíclicos. A ruptura por fadiga é sempre uma ruptura frágil, mesmo para materiais dúcteis.
• A elasticidade é a propriedade do metal de retornar à forma original, uma vez removida a força externa atuante.
• Por fim, temos a dureza, que é a resistência ao risco ou abrasão: a resistência que a superfície do material oferece à penetração de uma peça de maior dureza. Sua análise é de fundamental importância nas operações de estampagem de chapas de aços.