Ferro e aço

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METALURGIA 
Definição 
Metalurgia é a ciência que estuda e 
gerencia os metais desde sua extração 
do subsolo até sua transformação em 
produtos adequados ao uso. 
 
Designa um conjunto de procedimentos 
e técnicas para extração, fabricação, 
fundição e tratamento dos metais e 
suas ligas. 
Etapas 
Extração do minério 
Purificação do minério 
Redução do minério 
Purificação do metal 
Termos utilizados 
• A redução do minério 
envolve aquecimento. 
Processo 
pirometalúrgico 
• A redução do minério 
ocorre em solução aquosa. 
Processo 
hidrometalúrgico 
• Metalurgia do ferro. Siderurgia 
• Aquecimento de sulfeto em 
presença de oxigênio. 
Ustulação 
Ferro 
Não é encontrado em estado 
natural, na sua forma metálica. 
Normalmente encontrado na 
forma de minérios 
MINERAL FÓRMULA CATEGORIA 
Hematita Fe2O3 Óxido 
Limonita Fe2O3.H2O Óxido 
Magnetita Fe3O4 Óxido 
Siderita FeCO3 Carbonato 
Pirita* FeS2 Sulfeto 
Principais minérios: 
ELEMENTO ABUNDÂNCIA CROSTA 
(%) 
O 49,5 
Si 25,8 
Al 7,57 
Fe 4,7 
Densidade 7,9 g cm-3 
Ponto de fusão 1535 °C 
Ponto de ebulição 2700 °C 
Forma cristalina CCC 
Massa atômica 56 
Número atômico 26 
Estados de oxidação Fe2+ e Fe3+ 
Abundância: 4° elemento mais abundante na crosta terrestre: 
 
Propriedades Físicas: prateado, maleável, dúctil. 
Propriedades magnéticas: ferromagnético – 
fortemente atraído por um campo magnético 
e, quando removido desse campo, seu 
magnetismo é permanente. 
Propriedades químicas: bastante reativo. Corroído 
quando exposto ao ar úmido: 
(a) 
2 Fe(s) → 2 Fe
2+
(aq) + 4 e
- 
O2 (g) + 4 H
+
(aq) + 4 e
- → 2 H2O(l) 
(b) 
2 Fe2+(aq) → 2 Fe
3+
(aq) + 2 e
- 
½ O2 (g) + 2 H
+
(aq) + 2 e
- → H2O(l) 
(c) 
4 H2O(l) + 2 Fe
3+
(aq) → 6 H
+
(aq) + 
Fe2O3.H2O(s) 
Ferro 
Produção de ferro bruto: 
O principio químico da extração 
do ferro dos seu minérios é muito 
simples e realiza-se em fornos 
especiais designados de altos –
fornos . Como fonte de calor 
emprega-se o coque (combustível 
derivado do carvão betuminoso). 
- minério de ferro é colocado em 
um forno de 40 m de altura, 
alimentado continuamente com 
uma mistura de minério, coque e 
calcário. Cada quilograma de ferro 
produzido exige cerca de 1,75 kg 
de minério, 0,75 kg de coque e 
0,25 kg de calcário. 
Ferro 
Ferro 
PFFe = 1535 °C 
PFFe+Ca = 1015 °C 
Ferro gusa: ferro 
fundido (90-95% Fe, 
3-5% C, 2% Si + 
traços). 
Ferro-gusa é 
processado para 
fabricar aço. 
China, Rússia, 
Brasil, Austrália, 
EUA e Índia: 
maiores produtores 
mundiais. 
Brasil: maiores 
siderúrgicas: CSN 
(RJ), Usiminas e 
CURD (MG) e 
Cosipa (SP). 
Reações químicas no alto-forno 
1) Produção de energia e formação de 
monóxido de carbono (CO): 
A oxidação do carbono ocorre próximo a entrada de 
ar (ventaneiras), próximo a base do alto forno: 
2C + O2  2 CO + energia 
 
2) Redução do ferro: 
3 Fe2O3 + CO  2 Fe3O4 + CO2 
Fe3O4 + CO  3 FeO + CO2 
FeO + CO  Fe + CO2 
 
 
Reações químicas no alto-forno 
3) Redução do silício, fósforo e manganês 
Nas temperaturas mais baixas da parte superior do alto 
forno; ocorre a seguinte reação: 
2MnO2 + C  2MnO + CO2 
Nas altas temperaturas : 
2MnO + C  2Mn + CO2 
SiO2 + 2C  Si + 2 CO 
P2O5 + 5C  2 P + 5 CO 
Esta última reação é incompatível em alto-forno, 
praticamente todo o fósforo do minério é incorporado no 
ferro gusa. 
Reações químicas no alto-forno 
4) Reação da escória (escoriamento): 
Ca CO3  CaO + CO2 
CaO + SiO2  CaSiO3 (escória) 
As escórias são utilizadas na produção de tijolos, blocos e 
concretos. 
Ferro gusa 
É a forma intermediária pela qual passa praticamente 
todo o ferro utilizado na produção do aço. É um produto 
de primeira fusão obtido a partir da redução do minério 
em alto-forno. Contém cerca de 4% de carbono. Suas 
principais impurezas são silício, fósforo e manganês 
(cada um deles, contribuindo com, no máximo, 2% da 
massa total), além do enxofre (até 1%). 
As principais impurezas que a gusa contém são o silício, 
enxofre, fósforo e manganês. 
O carbono dá ao ferro mais dureza quanto maior for o 
seu teor, por outro lado, baixa-lhe o ponto de fusão e a 
maleabilidade. Aumenta também a sua tenacidade e a 
sua aptidão para a tempera, mas torna-o menos soldável. 
O enxofre (2 a 3%) é uma das impurezas mais prejudiciais, 
reduz-lhe a resistência, a forjabilidadee torna-o menos soldável. 
Sob a forma de sulfureto de ferro é absorvido pela gusa, como 
sulfureto de cálcio é absorvido pela escória. 
O fósforo torna o ferro quebradiço, diminui a sua tenacidade e 
aumenta a fluidez. É facilmente reduzido à sua forma elementar e 
absorvido pelo ferro, o seu teor não pode ser regulado nas 
condições redutoras do alto forno e aparece totalmente na gusa 
( 2 a 3%, normalmente inferior a 1%). 
O manganês aumenta a dureza e a resistência, mas dificulta a 
maleabilidade. Favorece a separação do enxofre da massa fluida. 
O silício (0.75-3.5%) endurece a fundição, torna o ferro mais 
macio e compacto, diminui a maleabilidade e a forjabilidade. 
Ferro gusa 
Para tornar a gusa em material de construção, deve-se 
purificá-la, o que se consegue pela oxidação da gusa em 
fusão, fazendo-a atravessar por ar ou oxigênio que oxida 
todos os elementos existentes na gusa. Operação esta que 
ocorre nos convertidores. 
Ferro gusa 
Aços 
Objetivo de transformar o 
ferro em aço é o de 
melhorar as suas 
características como 
resistência mecânica, 
tenacidade, 
maleabilidade, 
resistência química, etc. 
É uma liga Ferro-
Carbônica cujo teor em 
Carbono varia entre 
0.03% e 2.06%, contendo 
Si, Mn, P e S. 
Pode possuir elementos 
de liga (aços ligados) 
variando o C entre 
aqueles limites. 
O que é 
um Aço ? 
O aço é o metal mais 
utilizado por 2 razões: 
– baixo 
custo 
– excelentes 
propriedades 
mecânicas 
Os utilizadores de aço 
enfrentam em geral 2 
questões 
fundamentais: 
– escolha 
do aço 
– tratamento 
do aço 
Para tirar o máximo partido de aço, é necessário conhecer 
as suas propriedades em função da sua composição e as 
modificações provocadas pelos diversos tratamentos. 
Classificação Geral: 
Aço –teor de carbono 
inferior a 2% 
Aço de construção –
teor de carbono entre 
0,2 e 0,5% 
O aço obtêm-se por afinação da “gusa branca” em cuja operação 
se reduz a percentagem de C de 3.5% a menos de 1%. 
• Ação de uma corrente de ar que atravessa a 
massa de gusa líquida (afinação por ar); 
• Ação de um óxido de Fe (minério ou sucata) 
num forno de soleira(afinação por soleira) 
ou no forno elétrico (afinação elétrica). 
Esta operação 
consiste 
essencialmente num 
conjunto de 
oxidações parciais 
produzidas por: 
• A ação do O2 sente-se também sobre outros 
constituintes da gusa, tais como o Mn, Si e 
o P, que também se oxidam e eliminam quer 
parcialmente quer completamente. 
A eliminação do C é 
realizada por uma 
“oxidação” em que o 
C se transforma em 
óxido de C e em gás 
carbônico. 
Produção 
Por outro lado, também o Fe é oxidado parcialmente, o que é 
indesejável por dois motivos: 
1.Reduz o rendimento da 
operação; 
2.A presença do FeO diminui as 
propriedades mecânicas do aço. 
OXIDAÇÃO REDUÇÃO 
“AFINAÇÃO
” DA GUSA 
• É neste período de redução do 
FeO que se poderá eliminar o 
S, cujo conteúdo se mantém 
praticamente inalterável 
durante a oxidação. 
Torna-se então 
necessário que 
após as oxidaçõesparciais se realize 
uma “redução”do 
FeO formado. 
De acordo com o modo 
de desoxidação obtêm-
se diversos tipos de aço: 
Aços efervescentes –fraca desoxidação 
com manganês, são aços facilmente 
soldáveis, mas as suas características 
mecânicas não são muito elevadas e são 
muito irregulares; 
Aços semi-acalmados –desoxidação com 
manganês com junção de silício e 
alumínio. São mais resistentes que os 
anteriores. Utilizam-se nos perfis e 
chapas; 
Aços acalmados –os diversos elementos 
de desoxidação (Mn, Si, Al, Ti, No, Va) são 
doseados de modo a se obter um grão 
fino. Possuem excelentes propriedades 
mecânicas. 
Tipo de aço % C Propriedades e 
aplicações 
Baixo teor de C < 0,15 Ductilidade e baixa 
dureza, arame. 
Moderado teor 
de C 
0,15 a 0,20 Cabos, pregos, grades e 
ferraduras. 
Médio teor de C 0,25 a 0,60 Pregos, vigas, trilhos, 
componentes estruturais. 
Alto teor de C 0,61 a 1,5 Facas, navalhas, brocas. 
Composição e utilização dos diferentes aços em relação 
 ao teor de Carbono: 
Composição e utilização dos diferentes aços em relação 
 ao teor de diferentes Substâncias: 
LIGA COMPONENTES PROPRIEDADES USOS (EXEMPLOS) 
Aço-cromo Cr: 2-4 % Alta dureza e 
resistência ao 
choque (tenaz) 
Esferas para 
rolamentos 
Aço inoxidável Cr: 10-25 %, Ni: 1 % Resistência à 
corrosão 
Utensílios 
domésticos 
Aço-cromo-níquel Cr: 1-2 %, Ni: 1-5 % Alta dureza e 
resistência 
mecânica 
Armamentos, 
tanques 
Aço-cromo-vanádio Cr: 1-9 %, V: 0,15-0,2 
% 
Alta resistência 
mecânica e 
resistência à fadiga 
Peças para 
automóveis, eixos 
Alnico Ni: 20 %, Al: 12 %, 
Co: 5 % 
Propriedades 
magnéticas 
Ímãs 
Aço-tungstênio W: 10-20 % Alta dureza a 
elevadas 
temperaturas 
Ferramentas 
cortantes, brocas 
Aço-molibdênio Mo: 0,3-3 % Alta dureza e 
tenacidade. 
Resistência ao calor 
Eixos de rodas 
LIGA COMPONENTES PROPRIEDADES USOS 
(EXEMPLOS) 
Aço-manganês Mn: 10-18 % Alta dureza. 
Resistência a abrasão. 
Diminui a ductilidade 
Cofres, 
blindagens, 
máquinas de 
moagem 
Aço-níquel Ni: 2-5 % Inoxidável. Alta dureza 
e maleabilidade. 
Aumenta resistência 
ao choque 
Cabos, eixos, 
engrenagens 
Aço-ínvar Ni: 36 % Baixo coeficiente de 
dilatação térmica 
Instrumentos de 
precisão: 
balanças, 
relógios. 
Composição e utilização dos diferentes aços em relação 
 ao teor de diferentes Substâncias: 
Diagrama de fase das ligas de Fe 
-C 
Determina as 
característica
s físicas das 
ligas de 
Ferro-
Carbono em 
função de 
diferentes 
temperaturas 
e teor de 
carbono. 
Ferrite 
Máximo de carbono na liga 
igual a 0.02% a uma 
temperatura de 723°C 
Baixas dureza e resistência 
a tração (300MPa, valor 
estimado) 
Característicasmagnéticas 
Cementite 
F3C 
Máximo teor de carbono 
6,67% 
elevadas resistência 
(2000MPa, valor 
estimado)e dureza 
Baixa ductilidadePDL 
Austenite 
não-magnética 
boa resistência 
existente acima da 
temperatura critica de 
723°C 
estrutura cúbica de faces 
centradas 
percentagem de carbono 
variável entre 0.8% a 
723°C e 2.08% a 1148ºC 
Perlite 
estrutura tetragonalde corpo 
centrado 
propriedades intermédias 
entre a ferritee a 
cementite(700MPa, valor 
estimado) 
desenvolve-se no 
arrefecimento lento do aço 
presente nos aços recozidos 
(aquecimento acima da zona 
crítica e arrefecimento lento)