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Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 1 APOSTILA 1 Universidade Católica de Petrópolis — UCP Materiais de Construção Mecânica Roger Marques Gomes Engenharia Mecânica e de Produção Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 2 1 INTRODUÇÃO À SIDERURGIA Conceitos Fundamentais Sobre Metais Ferrosos O que é um Metal Ferroso? Um metal ferroso é um material formado principalmente de átomos de ferro ligados por ligações químicas do tipo METÁLICA. Esta definição simples engloba uma vasta gama de materiais que são fundamentais para a civilização moderna. Características dos Metais Ferrosos: - Composição base: Ferro (Fe) como elemento principal - Ligações metálicas: Elétrons livres conferem condutividade - Propriedades magnéticas: Maioria é ferromagnética - Versatilidade: Ampla gama de propriedades através de ligas - Abundância: Ferro é o 4º elemento mais abundante na crosta terrestre Exemplos de Materiais Ferrosos: - Ferro puro (raramente usado comercialmente) - Ferro fundido (2,5-4,0% C) - Aço carbono (0,008-1,7% C) - Aços liga (com elementos adicionais) - Aços inoxidáveis (>10,5% Cr) Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 3 Onde Podemos Encontrar os Átomos de Fe? O ferro é um dos elementos mais abundantes no universo e especialmente no nosso planeta Terra. Compreender sua distribuição é fundamental para entender a siderurgia. Na estrutura interna da Terra, a crosta terrestre (0–70 km) contém cerca de 5% de ferro; abaixo dela, o manto (70–2891 km) possui aproximadamente 13% de ferro. Já o núcleo externo, líquido (2891–5150 km), é composto por cerca de 80% de ferro, proporção semelhante à do núcleo interno, sólido (5150–6371 km), também com cerca de 80% de ferro. Dados Importantes: - Raio da Terra: 6.371 km - Espessura média da crosta: 30 km (apenas 0,5% do raio) - Maior perfuração humana: 12 km (Poço de Kola, Rússia) - Nossa capacidade de exploração: Limitada à crosta Terrestre A crosta terrestre é nossa única fonte acessível de ferro para a siderurgia. Sua composição determina a disponibilidade e os métodos de extração dos metais. Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 4 Composição Elementar da Crosta Terrestre: Implicações para a Siderurgia: - Abundância do Ferro: 5% significam disponibilidade suficiente para milhares de anos - Forma Oxidada: Ferro encontrado principalmente como óxidos (Fe₂O₃, Fe₃O₄) - Necessidade de Redução: Processo siderúrgico remove oxigênio dos óxidos - Concentração Regional: Algumas regiões têm concentrações muito maiores Como é Encontrado o Ferro na Natureza? O ferro na natureza não existe na forma metálica pura, mas sim combinado com outros elementos, principalmente oxigênio, formando diversos minerais. Elemento Percentual (%) Observações Oxigênio 47 Forma óxidos com outros elementos Silício 27 Segundo mais abundante Alumínio 8 Metal mais abundante Ferro 5 Quarto elemento mais abundante Cálcio 4 Importante para fundentes Sódio 3 Elemento alcalino Potássio 3 Elemento alcalino Magnésio 2 Metal alcalino-terroso Outros 1 Diversos elementos traço Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 5 Formação Geológica dos Depósitos de Ferro: Formações Ferríferas Bandadas (BIF - Banded Iron Formations) - Idade: 2,5-1,8 bilhões de anos - Origem: Precipitação em oceanos primitivos - Características: Camadas alternadas de ferro e sílica - Exemplos: Quadrilátero Ferrífero (MG), Serra dos Carajás (PA) O ferro, inicialmente disperso nas rochas primitivas, passou por um longo processo geológico de concentração que durou milhões de anos. Este processo natural é responsável pela formação dos depósitos economicamente viáveis que exploramos hoje. O intemperismo é o processo de decomposição física e química das rochas expostas na superfície terrestre. No caso das formações ferríferas, este processo atua de forma seletiva: Intemperismo Físico: A alternância de temperatura, ciclos de congelamento/descongelamento e a ação de raízes de plantas fragmentam as rochas, aumentando a superfície exposta aos agentes químicos. Intemperismo Químico: A água, especialmente quando ligeiramente ácida (devido ao CO₂ atmosférico), reage com os minerais da rocha. Os minerais de ferro (hematita, magnetita) são mais resistentes ao intemperismo que os minerais de sílica (quartzo, jaspe). A lixiviação é o processo pelo qual as águas subterrâneas dissolvem e transportam os minerais mais solúveis, deixando para trás os menos solúveis: Ação das Águas Subterrâneas: As águas meteóricas (chuva) infiltram no solo e se tornam ligeiramente ácidas ao dissolver CO₂ e ácidos orgânicos do solo. Dissolução Seletiva: A sílica (SiO₂), especialmente quando finamente dividida pelo intemperismo, é mais solúvel em água que os óxidos de ferro. As águas subterrâneas dissolvem preferencialmente a sílica. A sílica dissolvida é transportada pelas águas subterrâneas para outras regiões, sendo eventualmente precipitada em aquíferos ou transportada até o mar. Os óxidos de ferro (hematita, magnetita, goethita) são muito menos solúveis e permanecem no local, concentrando-se progressivamente. Com a remoção contínua da sílica, o ferro passa por um processo de enriquecimento relativo: Aumento do Teor: O teor de ferro na rocha aumenta progressivamente, passando de 25-35% (BIF original) para 45-65% (minério concentrado). Durante este processo, podem ocorrer transformações mineralógicas, como a conversão de magnetita em hematita devido à Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 6 oxidação.A remoção da sílica cria espaços vazios (porosidade secundária) que podem ser preenchidos por novos minerais de ferro ou permanecer como cavidades. Tempo Geológico: Este processo ocorre ao longo de milhões de anos, sendo mais intenso em climas tropicais e subtropicais, onde o intemperismo químico é mais atuante. A etapa final resulta na formação de depósitos de minério de ferro com características adequadas para exploração econômica: Critérios de Viabilidade Econômica: - Teor mínimo de ferro: geralmente >45% Fe - Baixos teores de impurezas (P, S, Al₂O₃) - Volume suficiente para justificar a mineração - Localização acessível para transporte Tipos de Depósitos: - Depósitos Residuais: Formados por intemperismo in-situ - Depósitos Sedimentares: Transportados e depositados - Depósitos Metamórficos: Modificados por calor e pressão Tabela Completa dos Minerais de Ferro: Mineral Fórmula Química Teor de Fe (%) Cor Propriedades Especiais Hematita Fe2O3 70 Vermelha a preta Mais importante comercialmente Magnetita Fe3O4 72,4 Preta Propriedades magnéticas Limonita Fe2O3 · H2O 59,9 Amarela a marrom Contém água de cristalização Siderita FeCO3 48,3 Cinza a marrom Contém CO2, requer calcinação Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 7 Características Detalhadas: Hematita (Fe₂O₃) - Importância: Principal minério explorado mundialmente - Ocorrência: Quadrilátero Ferrífero, Serra dos Carajás - Vantagens: Alto teor de ferro, baixo fósforo - Processamento: Beneficiamento por concentração gravítica Magnetita (Fe₃O₄) - Propriedade Única: Fortemente magnética - Beneficiamento: Separação magnética de baixa intensidade - Aplicações: Meio denso, produção de ferro esponja - Redutibilidade: Excelente para redução direta Limonita (Fe₂O₃·nH₂O) - Características: Minério hidratado, menor qualidade - Processamento: Requer secagem prévia - Ocorrência: Depósitos superficiais, lateritas - Limitações: Menor teor de ferro, maior umidade Siderita (FeCO₃) - Processamento: Calcinação para remoção de CO₂ - Reação: FeCO₃ → FeO + CO₂ (a 400-500°C) - Aplicações: Limitadas devido ao baixo teor - Ocorrência: Depósitos sedimentares antigos Disponibilidade Mundial do Minério de Ferro Reservas MundiaisEstimadas: 170 bilhões de toneladas Distribuição das Reservas por País: 1. Austrália: 28,5% (48,5 bilhões t) 2. Brasil: 17,2% (29,0 bilhões t) 3. Rússia: 14,8% (25,0 bilhões t) 4. China: 11,8% (20,0 bilhões t) 5. Índia: 3,2% (5,5 bilhões t) 6. Cazaquistão: 1,8% (3,0 bilhões t) 7. Irã: 1,8% (3,0 bilhões t) 8. Canadá: 1,2% (2,0 bilhões t) 9. EUA: 1,2% (2,0 bilhões t) 10. Outros: 18,5% (31,0 bilhões t) Produção Mundial: 2,5 bilhões de toneladas (2019) Principais Produtores: 1. Austrália: 37,5% (930 milhões t) 2. Brasil: 17,2% (430 milhões t) 3. China: 14,0% (350 milhões t) 4. Índia: 8,1% (200 milhões t) 5. Rússia: 4,0% (100 milhões t) 6. Outros: 19,2% (480 milhões t) Recursos Mundiais Estimados: 800 bilhões de toneladas Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 8 Teste Prático de Propriedades: Esta é uma questão fundamental para compreender por que precisamos da siderurgia. Ao golpear um minério de ferro com um martelo, o material se quebra e se reduz a pequenos fragmentos, evidenciando um comportamento frágil/quebradiço. Em contraste, ao golpear o aço com um martelo, ele não se parte; ele amassa, sofrendo deformação plástica, o que caracteriza um material dúctil/maleável. Propriedades Comparativas: Por que o Minério é Frágil? - Estrutura Cristalina: Ligações iônicas/covalentes rígidas - Defeitos: Trincas e inclusões concentram tensões - Porosidade: Vazios reduzem resistência mecânica - Composição: Óxidos são intrinsecamente frágeis Por que o Aço é Dúctil? - Ligações Metálicas: Elétrons livres permitem deformação - Estrutura Cristalina: Planos de deslizamento - Pureza: Menor quantidade de inclusões frágeis - Microestrutura: Controlada pelos processos de fabricação A Grande Transformação: "Pedra" → "Aço" Esta é a essência da siderurgia: transformar um material frágil e quebradiço (minério) em um material resistente e dúctil (aço). Propriedade Minério de Ferro Aço Dureza Alta (6–7 Mohs) Variável (2–8 Mohs) Fragilidade Muito frágil Dúctil Resistência à Tração Baixa (~50 MPa) Alta (300–2000 MPa) Ductilidade Nenhuma Excelente Soldabilidade Impossível Excelente Usinabilidade Impossível Boa a excelente Conformabilidade Nenhuma Excelente Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 9 Sequência de Transformação: (Fe₃O₄), materiais frágeis que quebram ao serem golpeados. Pela redução em alto-forno obtém-se o ferro-gusa/ferro líquido com cerca de 4% de carbono, muito duro e quebradIço. A etapa seguinte é a refinação, que reduz o teor de carbono para cerca de 0,2%, produzindo aço, agora dúctil — ele “amassa”, sofrendo deformação plástica quando golpeado. Por ser conformável/trabalhável, esse aço é transformado em produtos finais como barras, chapas e perfis. Processos de Transformação: 1. Redução (Alto-forno) - Entrada: Minério de ferro + Coque + Calcário - Processo: Redução dos óxidos de ferro - Reação Principal: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ - Produto: Ferro gusa (ferro líquido com ~4% C) 2. Refino (Aciaria) - Entrada: Ferro gusa + Sucata + Oxigênio - Processo: Oxidação do carbono e impurezas - Reação Principal: [C] + ½O₂ → CO - Produto: Aço líquido (ferro com 0,05-1,7% C) 3. Conformação (Laminação) - Entrada: Aço líquido - Processo: Solidificação + Deformação mecânica - Resultado: Produtos com formas específicas - Produtos: Barras, chapas, perfis, tubos, etc. Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 10 Mudanças Fundamentais nas Propriedades: O "Milagre" da Siderurgia: A siderurgia realiza uma transformação quase "mágica": pega uma pedra que quebra facilmente e a transforma em um material que pode ser moldado, soldado, usinado e usado para construir desde pregos até arranha-céus, desde automóveis até navios. Definição e Importância da Siderurgia A siderurgia é o ramo da metalurgia que se dedica à extração, beneficiamento, transformação e produção de ferro e suas ligas, principalmente o aço. Esta indústria representa um dos pilares fundamentais da economia moderna, sendo considerada uma indústria de base que fornece insumos essenciais para praticamente todos os setores produtivos. O termo "siderurgia" deriva do grego "sideros" (ferro) e "ergon" (trabalho), literalmente significando "trabalho do ferro". Esta definição simples, no entanto, não reflete a complexidade e a importância estratégica desta atividade industrial. A indústria siderúrgica desempenha papel crucial no desenvolvimento socioeconômico por diversos motivos: Etapa Material Carbono (%) Dureza Ductilidade Aplicação Inicial Minério - Muito alta Nenhuma Nenhuma prática Redução Ferro gusa 3,5–4,5 Muito alta Muito baixa Fundição Refino Aço 0,05–1,7 Variável Alta Construção mecânica Conformação Produtos 0,05–1,7 Controlada Excelente Aplicações finais Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 11 Indicador de Desenvolvimento: O consumo de aço per capita é considerado um dos principais indicadores do nível de desenvolvimento de um país. Países desenvolvidos apresentam consumo entre 400-800 kg/habitante/ano, enquanto países em desenvolvimento ficam entre 50-200 kg/habitante/ano. Geração de Empregos: A siderurgia gera empregos diretos e indiretos em toda a cadeia produtiva. Estima-se que cada emprego direto na siderurgia gere entre 3 a 5 empregos indiretos em setores correlatos. Efeito Multiplicador: Cada tonelada de aço produzida movimenta aproximadamente 3 toneladas de matérias-primas (minério de ferro, carvão, calcário, etc.), demonstrando o forte efeito multiplicador na economia. Os principais setores que consomem produtos siderúrgicos são: - Construção Civil (40-50%): Estruturas metálicas, vergalhões, perfis - Automotivo (15-20%): Chapas, perfis, componentes estruturais - Bens de Capital (10-15%): Máquinas, equipamentos industriais - Embalagens (8-12%): Latas, recipientes metálicos - Outros (15-20%): Eletrodomésticos, móveis, tubulações Períodos Históricos Idade do Bronze (3000-1200 a.C.) Embora anterior ao ferro, este período estabeleceu as bases da metalurgia. O bronze, liga de cobre e estanho, foi o primeiro metal trabalhado sistematicamente pelo homem. Idade do Ferro (1200 a.C. - 500 d.C.) - 1500 a.C.: Primeiras evidências de trabalho com ferro na Anatólia - 1200 a.C.: Disseminação da tecnologia do ferro no Mediterrâneo - 800 a.C.: Desenvolvimento dos primeiros fornos de redução. Período Medieval (500-1500 d.C.) - Século XII: Desenvolvimento dos primeiros altos-fornos na Europa - Século XIV: Aperfeiçoamento da tecnologia hidráulica para acionamento de foles - Século XV: Estabelecimento de centros siderúrgicos na Alemanha e Inglaterra. Primeira Revolução Industrial (1760-1840) - 1709: Abraham Darby desenvolve o uso de coque no alto-forno - 1784: Henry Cort inventa o processo de pudelagem - 1828: James Beaumont Neilson desenvolve o ar quente no alto-forno. Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 12 Segunda Revolução Industrial (1840-1914) - 1856: Henry Bessemer inventa o conversor Bessemer - 1864: Pierre-Émile Martin desenvolve o forno Siemens-Martin - 1886: Paul Héroult e Charles Martin Hall desenvolvem o processo eletrolítico. Era Moderna (1914-presente) - 1952: Desenvolvimento do processo LD (LinzDonawitz) na Áustria - 1960: Introdução do lingotamento contínuo - 1980: Automação e controle computadorizado dos processos - 2000: Desenvolvimento de tecnologias ambientalmente sustentáveis. PANORAMA MUNDIAL E BRASILEIRO Dados Globais de Produção (2019): A produção mundial de aço bruto atingiu aproximadamente 1,87 bilhão de toneladas em 2019, demonstrando a magnitude desta indústria global. Curiosidade Dimensional: - 1 m³ de aço possui aproximadamente 7,9 toneladas - Produção total equivale a: 236,7 milhões de m³ - Se empilhássemos esses cubos de 1 m³ numa única coluna: altura de 236.709 km - Para comparação:Distância média entre Terra e Lua = 385.000 km Esta visualização demonstra a impressionante escala da produção siderúrgica mundial, onde o volume anual de aço produzido poderia formar uma coluna que alcançaria mais da metade da distância até a Lua. Principais Produtores Mundiais (2019): 1. China: ~996 milhões de toneladas (53,3% da produção mundial) 2. Índia: ~111 milhões de toneladas (5,9%) 3. Japão: ~99 milhões de toneladas (5,3%) 4. Estados Unidos: ~88 milhões de toneladas (4,7%) 5. Rússia: ~72 milhões de toneladas (3,8%) 6. Coreia do Sul: ~71 milhões de toneladas (3,8%) 7. Alemanha: ~40 milhões de toneladas (2,1%) 8. Turquia: ~34 milhões de toneladas (1,8%) 9. Brasil: ~32 milhões de toneladas (1,7%) 10. Irã: ~31 milhões de toneladas (1,7%) 11. Itália: ~24 milhões de toneladas (1,3%) 12. Taiwan: ~22 milhões de toneladas (1,2%) 13. Outros: ~257 milhões de toneladas (13,7%) Análise da Distribuição: - Concentração Asiática: Ásia representa mais de 70% da produção mundial - Domínio Chinês: China sozinha produz mais que todos os outros países somados - Posição do Brasil: 9º maior produtor mundial, líder na América Latina Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 13 Usinas Siderúrgicas do Brasil Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 14 Ciclo de Produção - Usina Integrada Fluxograma Temporal do Processo (0h às 12h): O processo siderúrgico integrado segue uma sequência temporal bem definida, desde o carregamento das matérias-primas até a obtenção dos lingotes de aço: Detalhamento por Etapa: 0h - 8h: ALTO-FORNO - Entrada: Minério de ferro, coque, calcário - Processo: Redução dos óxidos de ferro - Temperatura: 1500-2000°C no cadinho - Produto: Ferro gusa líquido (4% C) - Tempo de residência: 8 horas 8h - 9h: TRANSPORTE - Equipamento: Carro torpedo (300-400 toneladas) - Função: Transporte do ferro gusa líquido - Manutenção térmica: Revestimento refratário - Capacidade: Múltiplos carros em operação 9h - 10h: CONVERSOR LD - Entrada: Ferro gusa + sucata (20-30%) - Processo: Oxidação do carbono e impurezas - Sopro: Oxigênio puro a alta pressão - Produto: Aço líquido (0,05-1,7% C) - Tempo de sopro: 15-20 minutos 10h - 11h: FORNO PANELA - Processo: Refino secundário - Ajustes: Composição química, temperatura - Desoxidação: Adição de ferroligas - Dessulfuração: Tratamento com cal - Homogeneização: Agitação por injeção de argônio 11h - 12h: LINGOTAMENTO CONTÍNUO - Processo: Solidificação controlada - Produtos: Placas, blocos, tarugos - Resfriamento: Água em circuito fechado - Corte: Oxicorte automático - Qualidade: Controle dimensional rigoroso Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 15 Características do Processo Integrado: Continuidade Operacional: - 24 horas/dia, 365 dias/ano - Campanhas longas: Alto-forno opera 10-15 anos - Sincronização: Todos os equipamentos interligados - Flexibilidade: Ajustes conforme demanda Eficiência Energética: - Aproveitamento de gases: Gás de alto-forno e aciaria - Recuperação de calor: Trocadores de calor - Cogeração: Produção de energia elétrica - Reciclagem: Aproveitamento de subprodutos Ingredientes Sólidos para Fabricação de Metal Ferroso As Três Matérias-primas Fundamentais: 1. MINÉRIO DE FERRO - Função: Fonte de átomos de ferro - Forma química: Geralmente um óxido de ferro (ferro ligado quimicamente ao oxigênio) - Principais tipos: Hematita (Fe₂O₃), Magnetita (Fe₃O₄) - Características: Material duro, quebradiço, cor escura - Preparação: Beneficiamento, sinterização, pelotização Composição Típica do Sínter: - Fe: 55-65% - SiO₂: 4-8% - Al₂O₃: 1-3% - CaO: 8-12% - MgO: 1- 2% 2. CARVÃO COQUE - Função: Fonte de átomos de carbono - Processo: Promove a redução do minério de ferro, gera calor e fornece átomos de carbono à liga - Características: Material poroso, preto, resistente - Produção: Coqueificação do carvão mineral a 1000-1100°C Propriedades Essenciais do Coque: - Resistência mecânica: Suporta peso da carga no alto- forno - Reatividade controlada: Reação gradual com CO₂ - Porosidade adequada: Permite passagem dos gases - Baixo teor de cinzas: Reduz impurezas no processo 3. CALCÁRIO - Função: Fundente - Processo: Se liga às impurezas diminuindo seu ponto de fusão, tornando-as líquidas (o que permite a separação) - Características: Rocha sedimentar, cor clara, carbonato de cálcio - Reação principal: CaCO₃ → CaO + CO₂ (a 900°C) Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 16 Mecanismo de Ação do Fundente: Durante a fusão, as impurezas do minério — principalmente SiO₂ e Al₂O₃ — reagem com a cal (CaO) e formam escória líquida. Pela diferença de densidade ocorre a separação: o ferro-gusa, mais denso, permanece no fundo, enquanto a escória, mais leve, flutua e é removida separadamente. Especificações do calcário: CaO > 50%; SiO₂Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 18 Beneficiamento do Minério de Ferro O beneficiamento visa aumentar o teor de ferro e adequar a granulometria para uso nos altos- fornos. Etapas do Beneficiamento: 1. Britagem - Redução do tamanho das partículas - Britadores primários, secundários e terciários - Produto final: 0-25 mm 2. Peneiramento - Separação por tamanho - Classificação em faixas granulométricas - Separação de finos e grossos 3. Concentração - Concentração Gravítica: Utiliza diferença de densidade - Separação Magnética: Aproveita propriedades magnéticas - Flotação: Para minérios de baixo teor 4. Filtragem e Secagem - Remoção da umidade - Adequação para transporte e estocagem Os finos de minério de ferro devem ser aglomerados antes de serem utilizados no alto-forno. Sinterização - Processo: Queima de uma mistura de finos de minério, coque e fundentes - Temperatura: 1200-1400°C - Produto: Sínter com 5-50 mm - Vantagens: Utiliza finos, melhora permeabilidade no alto-forno Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 19 Pelotização - Processo: Aglomeração de finos com bentonita, seguida de queima - Temperatura: 1200-1350°C - Produto: Pelotas de 8-18 mm - Vantagens: Maior resistência mecânica, melhor redutibilidade O carvão mineral é a principal fonte de energia e agente redutor na siderurgia. Classificação do Carvão por Rank: Tipo Carbono Fixo (%) Voláteis (%) Poder Calorífico (kcal/kg) Antracito 85–95 5–15 7000–8000 Betuminoso 45–85 15–45 6000–7500 Sub-betuminoso 35–45 25–35 4500–6000 Linhito 25–35 35–45 3000–4500 Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 20 A coqueificação é o processo de destilação destrutiva do carvão mineral em ausência de ar, produzindo coque metalúrgico. Propriedades Desejáveis do Coque: - Alto carbono fixo (>85%) - Baixo teor de cinzas (50% CaO, 99,5% - Produzido por destilação fracionada do ar EXERCÍCIOS 1 1. Explique por que o ferro é encontrado na natureza principalmente na forma de óxidos e não como metal puro. 2. Compare as propriedades mecânicas do minério de ferro com as do aço, explicando por que a siderurgia é necessária. Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 22 3. Calcule quantos anos durariam as reservas mundiais de minério de ferro (170 bilhões de toneladas) se a produção atual (2,5 bilhões t/ano) se mantivesse constante. 4. Explique a importância da hematita como principal minério de ferro, citando suas vantagens sobre outros minerais. 5. Descreva a transformação "pedra → aço" em termos de mudanças nas propriedades do material. Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 23 2 PROCESSOS SIDERÚRGICOS ALTO-FORNO: FUNCIONAMENTO E REAÇÕES O alto-forno é um reator metalúrgico de fluxo contínuo, operando em contracorrente, onde ocorre a redução do minério de ferro para produção de ferro gusa. É o equipamento central da rota integrada de produção de aço. Características Dimensionais Típicas: - Altura: 25-35 metros - Diâmetro do cadinho: 8-15 metros - Volume útil: 1000-5000 m³ - Capacidade de produção: 1000-12000 t/dia de ferro gusa Estrutura do Alto-forno 1. Cadinho - Parte inferior do alto-forno - Diâmetro máximo do forno - Revestimento: Blocos de carbono - Função: Acúmulo de ferro gusa e escória 2. Rampa - Transição entre cadinho e ventre - Formato tronco-cônico - Revestimento: Tijolos refratários 3. Ventre - Maior diâmetro do forno - Zona de fusão e gotejamento - Temperatura: 1400- 1600°C 4. Cuba - Parte superior tronco-cônica - Zona de redução indireta - Temperatura: 400- 1200°C Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 24 5. Topo - Sistema de carregamento - Distribuição de matérias-primas - Saída de gases O alto-forno pode ser dividido em zonas distintas baseadas nas reações predominantes: Zona de Preparação (Topo - 400°C) - Aquecimento das matérias-primas - Secagem e pré- aquecimento - Início da decomposição do calcário: CaCO₃ → CaO + CO₂ Zona de Redução Indireta (400-1000°C) - Redução dos óxidos de ferro pelo CO - Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe - Decomposição completa do calcário Zona de Redução Direta (1000-1200°C) - Redução do FeO pelo carbono sólido - FeO + C → Fe + CO - Início da carburação do ferro Zona de Fusão (1200-1500°C) - Fusão do ferro carburado - Formação da escória líquida - Separação ferro gusa/escória Zona de Combustão (1500-2000°C) - Combustão do coque: C + O₂ → CO₂ - Gaseificação: CO₂ + C → 2CO - Maior temperatura do processo Nas reações de combustão, o carbono pode queimar completamente formando dióxido de carbono (C + O₂ → CO₂; ΔH = −393 kJ/mol). O dióxido de carbono pode reagir com o carbono produzindo monóxido de carbono (CO₂ + C → 2CO; ΔH = +173 kJ/mol). A combustão parcial do carbono gera CO e libera calor (2C + O₂ → 2CO; ΔH = −220 kJ/mol). Nas reações de redução indireta (mediadas por CO), ocorrem, conforme a temperatura: 400– 600 °C: 3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂; 600–800 °C: Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂; 800–1000 °C: FeO + CO → Fe + CO₂. Por fim, nas reações de redução direta (com carbono sólido), acima de 1000 °C: FeO + C → Fe + CO; e acima de 1200 °C: Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO. Nas reações de carburação, o ferro incorpora carbono formando cementita (Fe₃C). Isso pode ocorrer via monóxido de carbono — 3Fe + 2CO → Fe₃C + CO₂ — ou por contato direto com carbono sólido — Fe + C → Fe₃C (cementita). Na formação da escória, a cal (CaO) captura os óxidos ácidos das impurezas: com sílica (SiO₂) gera silicato de cálcio (CaSiO₃) e com alumina (Al₂O₃) gera aluminato de cálcio (CaAl₂O₄). Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 25 Exemplo de Balanço para 1 tonelada de ferro gusa:Entradas: - Minério de ferro (sínter): 1600 kg - Coque: 500 kg - Calcário: 300 kg - Ar soprado: 2000 Nm³ Saídas: - Ferro gusa: 1000 kg - Escória: 350 kg - Gás de alto-forno: 2200 Nm³ - Perdas: 50 kg Composição Típica dos Produtos Ferro Gusa: - Carbono: 3,5-4,5% - Silício: 0,5-3,0% - Manganês: 0,3-1,5% - Fósforo: 0,05- 2,0% - Enxofre: 0,02-0,05% Escória: - CaO: 35-45% - SiO₂: 30-40% - Al₂O₃: 8-15% - MgO: 5-15% Gás de Alto-forno: - CO: 20-25% - CO₂: 18-22% - N₂: 50-55% - H₂: 2-4% Parâmetros de Controle: Temperatura do Gusa - Faixa normal: 1450-1520°C - Controle: Ajuste da vazão de ar e combustível auxiliar Composição Química - Silício: Indicador da temperatura e marcha térmica - Enxofre: Controlado pela basicidade da escória Permeabilidade - Pressão no topo: 1,5-2,5 bar - Distribuição de gases: Uniforme radialmente Basicidade da Escória - B₂ = CaO/SiO₂ = 1,0-1,3 - Controla dessulfuração e fluidez Sistemas Auxiliares Sistema de Ar Quente - Regeneradores ou recuperadores - Temperatura: 1000-1200°C - Combustível: Gás de alto-forno + gás natural Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 26 Injeção de Combustíveis Auxiliares - Carvão pulverizado: 100-200 kg/t gusa - Óleo combustível: 50-100 kg/t gusa - Gás natural: 50-150 Nm³/t gusa Sistema de Limpeza de Gases - Ciclones para remoção de pó - Lavadores para limpeza úmida - Recuperação de energia dos gases ACIARIA: PROCESSOS DE REFINO A aciaria é a unidade industrial onde o ferro gusa é transformado em aço através da remoção do excesso de carbono e outras impurezas. O processo fundamental consiste na oxidação controlada dos elementos indesejáveis. Principais Impurezas a Remover: - Carbono: 4,5% → 0,05-1,7% - Silício: 1,5% → 2) - Baixa atividade do oxigênio no metal - Alta temperatura - Agitação adequada Desoxidação A desoxidação é necessária para remover o oxigênio dissolvido no aço líquido, evitando a formação de óxidos durante a solidificação. Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 31 Tipos de Desoxidação: Desoxidação por precipitação: adicionam-se elementos com alta afinidade pelo oxigênio — tipicamente Al, Si e Mn — para reagirem com o oxigênio dissolvido no metal líquido e transformá-lo em óxidos sólidos (inclusões). As reações principais são: 2[Al] + 3[O] → Al₂O₃(s), [Si] + 2[O] → SiO₂(s) e [Mn] + [O] → MnO(s). Esses precipitados nucleiam, coalescem e são removidos para a escória (ou ficam como inclusões controladas), reduzindo o teor de oxigênio a níveis muito baixos; em geral, Al é o desoxidante mais forte, seguido de Si e Mn. Desoxidação por Difusão - Remoção do oxigênio por vácuo - Reação: 2[O] → O₂(g) - Mais eficiente que precipitação. Sequência Típica de Desoxidação: 1. Desoxidação preliminar com Si ou Mn 2. Desoxidação com Al (killing) 3. Ajuste fino com Ca ou terras raras. Controle de Qualidade na Aciaria Análise Química Rápida - Espectrometria de emissão óptica - Tempo de análise: 2-3 minutos - Precisão: ±0,01% para elementos principais Medição de Temperatura - Termopares descartáveis - Precisão: ±5°C - Pirômetros de radiação Amostragem de Inclusões - Análise microscópica - Classificação segundo normas - Controle da limpidez do aço CONTROLE DE QUALIDADE NOS PROCESSOS Controle de Processo no Alto-forno Sistema de Distribuição deCarga - Controle da distribuição radial - Otimização do perfil de gases - Redução de irregularidades Controle da Injeção de Combustíveis - Medição contínua de vazão - Controle automático da taxa de injeção - Otimização do consumo de coque Monitoramento Térmico - Câmeras infravermelhas - Termopares no revestimento - Controle da campanha do forno Controle de Processo na Aciaria LD Sistema de Controle Dinâmico - Modelo matemático do processo - Predição da composição final - Ajuste automático dos parâmetros Sublança de Medição - Análise de composição durante sopro - Medição de temperatura - Decisão de fim de sopro Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 32 Controle da Lança de Oxigênio - Posicionamento automático - Controle de vazão - Proteção contra danos Aspectos Ambientais Controle de Emissões - Monitoramento de particulados - Controle de gases (CO, SO₂, NOₓ) - Sistemas de limpeza de gases Gestão de Subprodutos - Utilização da escória - Recuperação de energia dos gases - Reciclagem de materiais Eficiência Energética - Recuperação de calor - Otimização de combustíveis - Redução de perdas térmicas EXERCÍCIOS 2 1. Descreva as principais zonas de reação no alto-forno e as temperaturas típicas de cada zona. 2. Explique as diferenças fundamentais entre o processo LD e o forno elétrico a arco, incluindo vantagens e desvantagens de cada um. 3. Calcule a quantidade de oxigênio necessária para converter 100 toneladas de ferro gusa com 4% de carbono em aço com 0,2% de carbono. 4. Descreva os principais mecanismos de dessulfuração do aço e os fatores que influenciam sua eficiência. 5. Explique a importância do refino secundário na produção de aços de alta qualidade. Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 33 3 PRODUTOS SIDERÚRGICOS FERRO FUNDIDO: TIPOS E APLICAÇÕES O ferro fundido é uma liga ferro-carbono com teor de carbono superior a 2,11%, geralmente entre 2,5% e 4,0%. Caracteriza-se pela presença de carbono livre na forma de grafita ou combinado como cementita (Fe₃C). Características Principais: - Excelente fundibilidade - Boa usinabilidade - Resistência ao desgaste - Capacidade de amortecimento de vibrações - Custo relativamente baixo - Fragilidade em tração Classificação dos Ferros Fundidos Por Microestrutura: Ferro Fundido Branco - Carbono combinado (cementita) - Fratura de cor branca - Muito duro e frágil - Difícil usinabilidade Ferro Fundido Cinzento - Carbono livre (grafita lamelar) - Fratura de cor cinza - Boa usinabilidade - Resistência moderada Ferro Fundido Maleável - Grafita nodular (recozimento) - Boa ductilidade - Resistência ao impacto - Usinabilidade excelente Ferro Fundido Nodular (Dúctil) - Grafita esferoidal - Alta resistência mecânica - Boa ductilidade - Tenacidade elevada Ferro Fundido Cinzento Composição Química Típica: - Carbono: 2,5-4,0% - Silício: 1,0-3,0% - Manganês: 0,4- 1,0% - Fósforo: 0,05-1,0% - Enxofre: 0,02-0,25% Microestrutura: No ferro fundido cinzento, a microestrutura é composta por uma matriz metálica de ferrita e/ou perlita dentro da qual a grafita precipita em forma de lamelas. As lamelas de grafita interrompem a continuidade da matriz, o que reduz a resistência à tração, porém melhora a usinabilidade e o amortecimento de vibrações; já a maior fração perlítica tende a aumentar a dureza e a resistência, enquanto a maior fração ferrítica favorece a ductilidade. Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 34 Propriedades Mecânicas: Carbono equivalente (CE). Para sintetizar o efeito conjunto dos elementos na microestrutura e nas propriedades do ferro fundido, usa-se o carbono equivalente, definido por: CE = %C + (%Si + %P)/3 CE alto: Grafita grosseira, menor resistência CE baixo: Grafita fina, maior resistência Taxa de Resfriamento - Resfriamento rápido: Grafita fina, maior resistência - Resfriamento lento: Grafita grosseira, menor resistência Elementos de Liga - Silício: Promove grafitização - Manganês: Estabiliza perlita - Fósforo: Melhora fluidez, reduz ductilidade Aplicações Típicas: - Blocos de motores - Cabeçotes de cilindros - Carcaças de bombas - Bases de máquinas - Discos de freio - Tubulações Ferro Fundido Nodular Processo de Produção: 1. Fusão do ferro fundido base 2. Dessulfuração (Steor de carbono Aços Liga - Elementos de liga intencionais - Melhoria de propriedades específicas - Baixa liga (5%) Por Teor de Carbono: Por Processo de Desoxidação: Tipo Carbono (%) Características Aplicações Baixo carbono 0,008–0,30 Dúctil, soldável Chapas, perfis, tubos Médio carbono 0,30–0,60 Resistente, tratável Eixos, engrenagens Alto carbono 0,60–1,7 Duro, resistente ao desgaste Ferramentas, molas Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 37 Aço Efervescente - Desoxidação incompleta - Gases aprisionados - Segregação pronunciada - Uso limitado atualmente Aço Acalmado - Desoxidação com Al, Si, Mn - Estrutura homogênea - Melhor qualidade - Uso predominante Aço Semi-acalmado - Desoxidação intermediária - Propriedades intermediárias - Aplicações específicas Sistemas de Classificação Sistema ABNT/SAE/AISI Na nomenclatura ABNT/SAE/AISI, os aços comuns são identificados por quatro dígitos: ABNT XXXX. • Dois primeiros dígitos → indicam a série/família (ex.: 10 = aços-carbono; 41 = aços Cr- Mo). • Dois últimos dígitos → indicam o teor de carbono em centésimos de %. Principais Séries: - 10XX: Aços carbono comuns - 11XX: Aços de usinagem fácil (S alto) - 12XX: Aços de usinagem fácil (S e P altos) - 13XX: Aços manganês (Mn 1,75%) - 40XX: Aços molibdênio - 41XX: Aços cromo-molibdênio - 43XX: Aços níquel-cromomolibdênio - 51XX: Aços cromo - 61XX: Aços cromo-vanádio - 86XX: Aços níquelcromo-molibdênio - 92XX: Aços silício-manganês Exemplos: - ABNT 1020: Aço carbono com 0,20% C - ABNT 4140: Aço Cr-Mo com 0,40% C - ABNT 8620: Aço Ni-Cr-Mo com 0,20% C Sistema DIN (Alemão) - Baseado em propriedades mecânicas - Exemplo: St 37 (resistência 37 kgf/mm²) Sistema JIS (Japonês) - Similar ao sistema americano - Prefixos específicos por aplicação Aços Carbono Aços de Baixo Carbono (0,008-0,30% C) Características: - Alta ductilidade e tenacidade - Baixa resistência mecânica - Excelente soldabilidade - Boa conformabilidade a frio Microestrutura: - Ferrita + Perlita (pequena quantidade) - Grãos ferríticos predominantes - Perlita nas bordas dos grãos Propriedades Típicas (ABNT 1020): - Resistência à tração: 380-420 MPa - Limite de escoamento: 210-250 MPa - Alongamento: 25-30% - Dureza: 120-140 HB Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 38 Aplicações: - Chapas para estampagem - Perfis estruturais - Tubulações - Parafusos e rebites - Componentes soldados Aços de Médio Carbono (0,30-0,60% C) Características: - Equilíbrio entre resistência e ductilidade - Resposta ao tratamento térmico - Soldabilidade com precauções - Boa resistência ao desgaste Microestrutura: - Ferrita + Perlita (proporções equilibradas) - Perlita aumenta com o carbono - Estrutura mais refinada após tratamento Propriedades Típicas (ABNT 1045): - Resistência à tração: 570-700 MPa - Limite de escoamento: 310-380 MPa - Alongamento: 16-20% - Dureza: 170-210 HB Aplicações: - Eixos e árvores - Engrenagens - Componentes de máquinas - Ferramentas simples - Molas Aços de Alto Carbono (0,60-1,7% C) Características: - Alta dureza e resistência - Baixa ductilidade - Excelente resistência ao desgaste - Soldabilidade muito limitada Microestrutura: - Perlita predominante - Cementita em contornos de grão - Estrutura lamelar fina Propriedades Típicas (ABNT 1080): - Resistência à tração: 800-1200 MPa - Limite de escoamento: 450-650 MPa - Alongamento: 8-12% - Dureza: 240-300 HB Aplicações: - Ferramentas de corte - Molas de alta performance - Cabos de aço - Componentes de desgaste - Instrumentos de medição Aços Liga Efeitos dos Elementos de Liga: Cromo (Cr) - Aumenta temperabilidade - Melhora resistência à corrosão - Forma carbonetos duros - Refina o grão Níquel (Ni) - Aumenta tenacidade - Melhora soldabilidade - Estabiliza austenita - Resistência a baixas temperaturas Molibdênio (Mo) - Aumenta temperabilidade - Previne fragilidade de revenido - Melhora resistência a quente - Refina carbonetos Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 39 Manganês (Mn) - Desoxidante e dessulfurante - Aumenta temperabilidade - Estabiliza austenita - Melhora resistência Silício (Si) - Desoxidante - Aumenta resistência elétrica - Melhora propriedades magnéticas - Aumenta limite elástico Vanádio (V) - Forte formador de carbonetos - Refina o grão - Aumenta temperabilidade - Melhora resistência ao desgaste Aços Especiais Aços Inoxidáveis Classificação: - Martensíticos: 12-18% Cr, temperáveis - Ferríticos: 16-30% Cr, não temperáveis - Austeníticos: 18% Cr + 8% Ni, não magnéticos - Duplex: Ferrita + Austenita - Endurecíveis por precipitação: PH Aços Ferramenta Classificação por Aplicação: - Trabalho a frio: Alto C, Cr, V - Trabalho a quente: Mo, W, V, Cr - Alta velocidade: W, Mo, V, Co Aços Estruturais Características: - Soldabilidade garantida - Resistência atmosférica - Baixo carbono equivalente - Tenacidade a baixas temperaturas Exemplos: - ASTM A36: Estruturas gerais - ASTM A572: Alta resistência - ASTM A588: Resistente à atmosfera Tratamentos Térmicos dos Aços Recozimento - Objetivo: Amolecer, aliviar tensões - Temperatura: Ac₃ + 30-50°C - Resfriamento: Lento (forno) - Microestrutura: Ferrita + Perlita grosseira Normalização - Objetivo: Refinar grão, homogeneizar - Temperatura: Ac₃ + 30-50°C - Resfriamento: Ar calmo - Microestrutura: Ferrita + Perlita fina Têmpera - Objetivo: Máxima dureza - Temperatura: Ac₃ + 30-50°C - Resfriamento: Rápido (água, óleo) - Microestrutura: Martensita Revenimento - Objetivo: Reduzir fragilidade - Temperatura: 150-650°C - Resfriamento: Ar - Microestrutura: Martensita revenida Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 40 PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESPECIAIS Aços Inoxidáveis Os aços inoxidáveis são ligas ferro-cromo com mínimo de 10,5% de cromo, que forma uma película passiva de óxido de cromo, conferindo resistência à corrosão. Mecanismo de Resistência a Corrosão: Nos aços inoxidáveis, o cromo presente na liga reage com o oxigênio do meio e forma, na superfície, uma película passiva de óxido de cromo Cr₂O₃, contínua e muito fina (auto-cicatrizante). Em termos simplificados: 4Cr + 3O₂ → 2Cr₂O₃. Essa camada aderente dificulta a passagem de íons e elétrons, reduzindo as correntes de corrosão. Em meios oxidantes a película se reforma sozinha após riscos leves; elementos como Mo, Ni e N aumentam sua estabilidade, enquanto cloretos, baixa aeração ou ácidos fortes podem romper a passividade e favorecer corrosão localizada (pite). Classificação Detalhada: Aços Inoxidáveis Martensíticos - Composição: 12-18% Cr, 0,1-1,2% C - Estrutura: Martensítica (temperado) - Propriedades: Magnético, temperável, dureza elevada - Aplicações: Cutelaria, instrumentos cirúrgicos, válvulas Exemplos: - AISI 410: 12% Cr, 0,15% C - AISI 420: 13% Cr, 0,35% C - AISI 440C: 17% Cr, 1,0% C Aços Inoxidáveis Ferríticos - Composição: 16-30% Cr,offshore Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 41 Aços Inoxidáveis PH (Precipitation Hardening) - Composição: 15-17% Cr, 3-5% Ni, Al, Cu, Nb - Tratamento: Envelhecimento (480-620°C) - Propriedades: Alta resistência mecânica (1200- 1500 MPa) - Aplicações: Aeroespacial, nuclear Aços Rápidos (High Speed Steel) Características Gerais: - Alto teor de elementos de liga (W, Mo, V, Co) - Manutenção da dureza a altas temperaturas - Resistência ao desgaste superior - Aplicação em ferramentas de corte Composição Típica: - Carbono: 0,7-1,5% - Tungstênio: 1-18% - Molibdênio: 0-10% - Vanádio: 1-5% - Cobalto: 0-12% - Cromo: 3-5% Principais Tipos: Série T (Tungstênio) - T1: 18% W, 4% Cr, 1% V - T15: 12% W, 4% Cr, 5% V, 5% Co Série M (Molibdênio) - M2: 6% W, 5% Mo, 4% Cr, 2% V - M42: 1,5% W, 9,5% Mo, 4% Cr, 1% V, 8% Co Tratamento Térmico: 1. Aquecimento: 1200-1300°C 2. Têmpera: Ar ou óleo 3. Revenimento: 540-580°C (3x) 4. Dureza final: 62-67 HRC Ferroligas Definição: Ligas de ferro com outros elementos, utilizadas como desoxidantes, dessulfurantes e para adição de elementos de liga na produção de aço. Principais Ferroligas: Ferrosilício (FeSi) - Composição: 15-90% Si - Aplicações: Desoxidação, inoculação de ferro fundido - Produção: Forno elétrico de redução Ferromangânês (FeMn) - Composição: 65-85% Mn - Aplicações: Desoxidação, dessulfuração, elemento de liga - Tipos: Alto carbono, médio carbono, baixo carbono Ferrocromo (FeCr) - Composição: 50-70% Cr - Aplicações: Produção de aços inoxidáveis - Tipos: Alto carbono, baixo carbono Ferromolibdênio (FeMo) - Composição: 60-70% Mo - Aplicações: Aços liga, aços inoxidáveis - Produção: Redução de MoO₃ Ferrovanádio (FeV) - Composição: 35-80% V - Aplicações: Aços microligados, aços ferramenta - Produção: Aluminotermia Apostila 1 — [Materiais de Construção Mecânica] — UCP 42 Ferrotungstênio (FeW) - Composição: 70-85% W - Aplicações: Aços rápidos, aços ferramenta - Produção: Redução de WO₃ Aços Elétricos Aços para Transformadores - Baixas perdas magnéticas - Alta permeabilidade - Orientação cristalográfica preferencial - Revestimento isolante Composição: - Silício: 0,5-4,5% - Carbono: