PROCESSOS SIDERÚRGICOS / FABRICAÇÃO DO AÇO
Autor: Prof Octavio Gouveia | Publicado: 2017-02-07T05:15:00-08:00


IFRJ / CAMPUS DUQUE DE CAXIAS 

PROCESSOS INORGÂNICOS

AULA SOBRE PROCESSOS
SIDERÚRGICOS 

PROF OCTAVIO GOUVEIA



Introdução 

O ferro se combina tão fortemente com o oxigênio, que é preciso
temperaturas muito altas – mais de 1.000 °C – para separá-lo do minério de
ferro. Na pré-história (período que os historiadores definem como sendo
anterior à escrita), com fogueiras e fornos comuns, tais temperaturas eram
muito difíceis de serem alcançadas.

O bronze – liga de cobre
e estanho – já era obtido há cerca de 5.300 anos, mas o ferro só pôde ser
obtido mais tarde, com o aperfeiçoamento de fornos com os quais se obtinham
temperaturas mais altas (basicamente com mecanismos, como o fole, que sopravam
o ar no meio do fogo).

Melhorias subseqüentes
possibilitaram a produção de pequenas quantidades de aço. Com a invenção do
alto-forno na Idade Média, uma quantidade maior de aço pôde ser fabricada e
utilizada principalmente em armas, como espadas, e em armaduras e escudos. O
processo industrial de obtenção do aço ocorreu no século XIX, aumentando
enormemente a quantidade fabricada e barateando o produto final.

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.

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, 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.

Classificações 

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

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Integradas –que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação;
participam de todo o processo produtivo e produzem aço.



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Semi-integradas -&nbsp;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:

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->De semi-acabados (placas, blocos e
tarugos)

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->De planos aços carbono (chapas e
bobinas)

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->De planos aços especiais / ligados
(chapas e bobinas)

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->De longos aços carbono (barras,
perfis, fio máquina, vergalhões, arames e tubos sem costura)

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->De longos aços especiais / ligados
(barras, fio-máquina, arames e tubos sem costura)

Existem ainda unidades produtoras
chamadas de não integradas, que operam apenas uma fase do processo:
processamento (laminação ou trefilas) ou redução.

Laminação



Estão os relaminadores, geralmente de placas e tarugos, adquiridos de
usinas integradas ou semi-integradas e os que relaminam material sucatado.

No mercado produtor operam ainda unidades de pequeno porte que se
dedicam exclusivamente a produzir aço para fundições.

Trefilação



São as trefilarias, unidades que dispõem apenas de trefilas, em que
produtores de arames e barras utilizam o fio-máquina como matéria prima.

Redução



São os produtores de ferro gusa, os chamados guseiros, que têm como
característica comum o emprego de carvão vegetal em altos fornos para redução
do minério, mas que se trata de atividade industrial distinta.

De acordo com a&nbsp;CNAE / IBGE&nbsp;(instrumento de padronização nacional dos
códigos de atividade econômica do país), a Metalurgia é uma divisão da seção
das Indústrias de Transformação. É nessa atividade econômica que ocorre a
conversão de minérios ferrosos e não-ferrosos em produtos metalúrgicos e
produtos intermediários do processo.

A Siderurgia, setor no qual ocorre a fabricação do aço em forma de
semi-acabados, laminados, relaminados, trefilados e tubos sem costura, é
classificada como um grupo específico na divisão de metalurgia, seção na qual
estão inseridas outras atividades correlatas. Dentro da metalurgia, os
produtores independentes de gusa e de ferro-ligas compõem outro grupo.

Etapas

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



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Grande parte do minério de ferro
(finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->O produto resultante é chamado de
sinter.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->O carvão é processado na coqueria e
transforma-se em coque.



Principais minérios de ferro:

hematita&nbsp;(Fe2O3),&nbsp;limonita&nbsp;(Fe2O3.2H2O),&nbsp;magnetita&nbsp;(Fe3O4).




Os sulfetos de ferro, como a&nbsp;pirita&nbsp;(FeS2), são
abundantes na natureza, mas não servem para a extração e produção do ferro,
pois o enxofre é um dos elementos mais prejudiciais às propriedades do ferro e
do aço.



A&nbsp;extração&nbsp;ou&nbsp;metalurgia do ferro&nbsp;e de&nbsp;suas
ligas&nbsp;recebe o nome de&nbsp;siderurgia. Os principais produtos
siderúrgicos são:



<!--[if !supportLists]-->§&nbsp; <!--[endif]-->ferro gusa: liga de ferro com 2% a 5% de carbono,
além de impurezas como Mn, Si, P, dentre outros;
<!--[if !supportLineBreakNewLine]-->
<!--[endif]-->

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp; <!--[endif]-->ferro fundido: liga de ferro com de 2% a 5% de
carbono, mas com quantidades de impurezas menores que o gusa;

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp; <!--[endif]-->aço, aço comum, aço-carbono: liga de ferro com de o,2% a 1% de
carbono e baixa concentração de impurezas (Mn, Si, P, S, dentre outros);

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp; <!--[endif]-->aço doce: aço que contém menos de 0,2% de
carbono;

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp; <!--[endif]-->aços-liga: aços que contém outros elementos
químicos e que apresentam quantidades especiais.



A produção do ferro e suas ligas começou na pré-história (Idade do
Ferro) e cresceu muito a partir de 1750, quando teve início a era da
industrialização. Atualmente o processo siderúrgico começa, via de regra, pela
produção do gusa, nos chamados&nbsp;altos-fornos.



2. Redução



PREPARAÇÃO DA CARGA

A carga é levada por caçambas e introduzida na parte superior do
alto-forno e é formanda fundamentalmente por:&nbsp;minério de ferro, carvão coque&nbsp;(queima
produzindo o calor necessário ao funcionamento do forno, e produz também o CO
que é o principal redutor do minério de ferro),&nbsp;fundente&nbsp;(considerando que as impurezas do
minério de ferro são, em geral, sílica (SiO2) e silicatos de&nbsp;difícil fusão,
usa-se como fundente o&nbsp;calcário&nbsp;(CaCO3).
O produto da reação, o CaSiO3, irá formar a&nbsp;escória, que
será retirada na parte inferior do forno.



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Essas matérias-primas, agora
preparadas, são carregadas no alto forno.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Oxigênio aquecido a uma temperatura
de 1000ºC é soprado pela parte de baixo do alto forno.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->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.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->O gusa é uma liga de ferro e carbono
com um teor de carbono muito elevado.



3. Refino



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Aciarias a oxigênio ou elétricas são
utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e a sucata de ferro e aço
em aço líquido.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Nessa etapa parte do carbono contido
no gusa é removido juntamente com impurezas.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->A maior parte do aço líquido é
solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir
semi-acabados, lingotes e blocos.



ALTO-FORNO



As impurezas presentes no minério&nbsp;de ferro são removidas
com seu
aquecimento -juntamente com carvão&nbsp;mineral e outras substâncias – em
altoforno.&nbsp;O alto-forno é um forno especial&nbsp;com revestimento para
resistir a altas temperaturas – a mais de 1200 °C.

&nbsp;Desse processo de
aquecimento resulta&nbsp;o ferro-gusa – usado na produção&nbsp;do aço – e a
escória, constituída&nbsp;de impurezas que são removidas&nbsp;(podendo ser
usadas na fabricação&nbsp;de cimento).



FERRO GUSA



Pela parte inferior, são escoados, a cada 4 ou 5 horas, em
primeiro lugar a&nbsp;escória&nbsp;(que
é utilizada para pavimentação ou fabricação de cimento) e, em segundo lugar o&nbsp;ferro-gusa.&nbsp;O
ferro-gusa é aquecido em um forno chamado&nbsp;conversor. A
injeção de oxigênio ajuda a eliminar
as impurezas restantes. Outras substâncias são&nbsp;acrescentadas para conferir
propriedades. Ao fim&nbsp;do processo é produzido o aço na forma líquida.



LINGOTE


O aço refinado é transportado à unidade de&nbsp;lingotamento contínuo e ali
vazado em um&nbsp;distribuidor com diversos veios. Em cada&nbsp;veio, o aço
líquido passa por moldes de&nbsp;resfriamento para solidificar-se no
formato&nbsp;conveniente para a laminação.











4. Laminação



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->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.



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Na laminação o
lingote de aço&nbsp;passa por entre dois cilindros que o&nbsp;comprimem para
reduzira espessura&nbsp;da peça de modo semelhante ao que&nbsp;ocorre nas
máquinas de preparo de&nbsp;massa para pastéis.



5. Usos do Aço



Diversas indústrias transformam os produtos das
siderúrgicas para ser aplicados na construção civil
ou em objetos presentes no nosso dia-a-dia.

As características do aço comum

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp;
<!--[endif]-->Porcentagem do carbono&nbsp;– aços com teores baixos de carbono são mais maleáveis e
dúcteis; aços com mais carbono são mais duros e tenazes.

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp;
<!--[endif]-->Tratamento térmico&nbsp;– é o aquecimento seguido de resfriamento do aço, com
intensidades e velocidades variáveis; isso altera as propriedades do aço, pois
modifica sua estrutura cristalina.



Dois exemplos de
tratamento térmico importantes são:

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp;
<!--[endif]-->têmpera: é o aquecimento seguido de resfriamento rápido do aço, com esse
tratamento, o aço fica mais “duro”, porém mais “quebradiço”.
<!--[if !supportLineBreakNewLine]-->
<!--[endif]-->

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp;
<!--[endif]-->recozimento: é o
aquecimento seguido de resfriamento mais lento do aço, com isso ele fica mais
elástico, porém menos “duro”.





6. Tipos de aço


<!--[if !supportLists]-->§&nbsp;
<!--[endif]-->aço inoxidável: Fe + C + Cr
+ Ni

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp;
<!--[endif]-->aço para trilhos:&nbsp;Fe + C + Mn

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp;
<!--[endif]-->aço para ferramenta de corte:&nbsp;Fe + C + W + Mo

<!--[if !supportLists]-->§&nbsp;
<!--[endif]-->aço para ímãs:&nbsp;Fe + C
+ Al + Ni + Co