NOTA DE AULA 04 MM

Prévia do material em texto

1 
 
MATERIAIS METÁLICOS 
CURSO: Engenharia Mecânica – 4º Semestre 
Prof. Francisco Nascimento 
 
NOTA DE AULA – 04 
 
7. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇO 
 
Sendo o ferro gusa uma liga ferro-carbono em que o carbono e as impurezas normais (Si, Mn, P e 
S), principalmente o Si e o Mn, se encontram em teores elevados, a sua transformação em aço, que 
é uma liga de mais baixos teores desses elementos, corresponde a um processo de oxidação, por 
intermédio do qual, porcentagens desses elementos é reduzida até os valores desejados. Para isto, 
ou seja, para transformação do ferro gusa em aço, utilizam-se “agentes oxidantes’, os quais podem 
ser de natureza gasosa, como ar e oxigênio, ou natureza sólida, como minérios na forma de óxidos. 
 
Assim sendo, os processos para produção do aço podem ser classificados de acordo com o 
agente utilizado: 
 
=> Processos pneumáticos, onde o agente oxidante é o ar ou o oxigênio; 
 
=> Processos Siemens-Martin, elétrico, duplex, etc., em que os agentes oxidantes são 
substâncias sólidas contendo óxidos. 
 
Por outro lado, dependendo da composição do ferro gusa e do tipo de aço desejado, pode-se 
considerar ainda outra divisão dos processos de sua fabricação, qualquer que seja o tipo de forno: 
 
=> Processos ácidos, em que podem ser diminuídos ou removidos facilmente os elementos 
carbono, silício e manganês, não acontecendo, entretanto, o mesmo com o fósforo e enxofre. 
 
=> Processos básicos, em que todos os elementos acima podem ser reduzidos aos valores 
desejados. 
 
As propriedades dos aços e, portanto, suas aplicações práticas, são estreitamente condicionadas 
pelo teor de carbono. Numa mesma aplicação, pequenas variações no teor de carbono e de 
elementos de liga determinam o desempenho da peça a ser produzida. 
 
A fabricação do aço a partir do ferro gusa consiste essencialmente em se produzir, de forma 
controlada, a concentração dos diversos elementos que entram em sua composição inicial, conforme 
indicado na tabela abaixo: 
 
ELEMENTO FERRO GUSA ( % ) AÇO DOCE ( % ) 
Carbono 3 a 4 0,02 a 0,1 
Silício 1 a 3 0,02 a 0,1 
Manganês 0,5 a 1,5 0 a 0,02 
Enxofre 0,01 a 0,2 0,01 a 0,1 
Fósforo 0,05 a 2 0,05 a 0,2 
7.1 Oxidação do Ferro Gusa 
 
A redução controlada dos teores dos elementos componentes do ferro gusa se deve ao fato de 
que os mesmos formam compostos intermetálicos com o ferro, os quais comprometem o 
desempenho do produto final. 
 
 2 
 
O enxofre forma um sulfeto (FeS) de baixo ponto de fusão, que se precipita e segrega nos 
contornos de grão e que funde à temperatura de forjamento, provocando o surgimento da 
fragilidade a quente. O fósforo forma um fosfeto (Fe3P) de elevada dureza, que faz surgir à 
fragilidade a frio, impedindo o sucesso dos processos de conformação a frio. O próprio carbono 
forma a cementita (Fe3C), um carbeto de elevadíssima dureza. Assim sendo, tais elementos, 
devem ser mantidos em teores controlados, em níveis abaixo dos que caracterizam o ferro gusa. 
Isto é obtido simplesmente por meio de oxidação desses elementos, isto é, pela passagem de 
oxigênio (puro ou do ar) em meio à massa do ferro gusa em estado líquido (~ 1600 ºC). 
 
A tabela abaixo mostra as reações de oxidação dos componentes do ferro gusa na fabricação do 
aço. A oxidação do ferro é mostrada como referência. 
 
ELEMENTO REAÇÃO DE OXIDAÇÃO – 1600ºC 
Carbono 2C + O2 -------> 2CO 
Silício Si + O2 -------> SiO2 
Manganês 2Mn + O2 -------> 2MnO 
Enxofre S + O2 -------> SO2 
Fósforo 4/5P + O2 -------> 2/5P2O5 
Ferro (referência) 2Fe + O2 -------> 2FeO 
 
Nas reações mostradas na tabela acima, podemos verificar que: 
 
• São reações nitidamente exotérmica, o que permite a manutenção da temperatura sem o 
auxílio de combustão paralela (queima de combustível); 
• O fósforo apresenta reação de oxidação menos viável e, visto que a oxidação é de caráter 
preferencial, será esse o elemento de mais difícil oxidação, com redução restrita do seu teor. 
 
7.2 Oxidação em Conversores 
 
A oxidação do ferro gusa líquido pode ser feita por meio de insuflação de ar (pneumática) em 
fornos denominados “conversores Bessemer”, conforme mostra a figura abaixo. Esses fornos 
podem ser “ácidos” ou “básicos”, em função do tipo de escória e de refratário utilizados. 
 
 
 
 3 
 
Os conversores ácidos são destinados a ferro gusa com teores desprezíveis de fósforo, caso em 
que se pode formar escória ácida e utilizar refratários ácidos à base de sílica (SiO2). Para ferro 
gusa com elevado teor de fósforo, utiliza-se o conversor básico (ou conversor de Thomas) no 
qual se forma escória básica por meio da adição de cal (CaO) como fundente, com a finalidade de 
escorificar o fósforo. Nesse caso, o refratário deverá ser também do tipo básico (a base de 
dolomita ou magnesita). 
 
A figura abaixo mostra o gráfico de variação da composição química do ferro gusa durante a 
sopragem de ar no conversor Bessemer para fabricação de aço. 
 
 
 
As reações de oxidação que ocorrem num conversor são suficientemente exotérmicas para 
aquecer o banho de 1300 ºC (ferro gusa líquido) a 1600 ºC (aço líquido) dispensando o uso de 
combustível, porém limitando a reciclagem de sucata de aço para um máximo de 10% em peso. O 
tempo de oxidação em um conversor, também denominado “período de sopragem”, é da ordem 
de 15 min., durante os quais se verifica a redução dos teores dos elementos, como mostra a figura 
acima. 
 
Devido ao uso do ar como veículo de oxigênio, haverá eventualmente um aumento no teor inicial 
de nitrogênio (principal componente do ar) que, em certos casos, poderá ser prejudicial. 
 
7.3 Oxidação com Oxigênio Puro 
 
Para se evitar o aumento do teor de nitrogênio no aço, pode-se oxidar o ferro gusa com oxigênio 
puro ao invés do ar. Nessas condições, a sopragem levará mais tempo e terá o comportamento 
conforme mostra o gráfico abaixo. Isso pode ser obtido por meio de diversos processos, cuja 
vantagem é permitir uma adição de sucata de até 20% de carga, sem necessidade de se queimar 
combustível. 
 
 
 4 
 
Os principais processos de oxidação em conversores por meio de oxigênio puro são: 
 
=> Processo LD 
Basicamente similar ao do conversor Bessemer com exceção de que o forno não apresenta uma 
caixa inferior de sopragem, conforme mostra a figura abaixo. A sopragem do oxigênio puro é feita 
por meio de um tubo, denominado “lança”, que é introduzido pela boca superior do forno. Esse 
processo foi desenvolvido na Áustria, e o nome LD vem das iniciais das duas fábricas que primeiro 
o utilizaram: Linz e Donawitz. 
 
 
 
=> Processo KALDO 
É uma derivação do processo LD, com a vantagem de se aplicar um movimento de rotação no 
corpo do conversor, a fim de se obter uma melhor homogeneização do banho de ferro gusa que se 
oxida o aço. Esse processo foi desenvolvido na Suécia e o nome KALDO é formado pela junção das 
primeiras letras do nome do seu inventor (Kalling) e da cidade onde o utilizou pelo primeira vez 
(Domnarfvert). A figura abaixo ilustra o referido processo. 
 
 
 
=> Processo ROTOR 
Provavelmente o mais eficiente dos processos de oxidação por meio de oxigênio puro. Conforme 
mostra a figura abaixo, é um desenvolvimento do processo KALDO, consiste num forno cilíndrico 
que gira (~0,5 rpm) durante a oxidação e que apresenta duas lanças de oxigênio. Uma das lanças 
é inserida em meio ao banho de ferro gusa, onde sopra o oxigênio “primário”, destinado 
especificamente a oxidação. A outra lança sopra o oxigênio “secundário”, destinado à queima do 
monóxido de carbono que resulta da oxidação do carbono. Esse expediente permite que se possa 
colocar mais sucata, até 30% de carga. 
 
 
 5 
 
=> Processo SPRAY 
Este éo mais sofisticado dos processos de oxidação de ferro gusa por meio de oxigênio puro. 
Baseia-se na oxidação “gota-a-gota” do ferro gusa, portanto, de grande eficiência. Entretanto, o 
custo do aço produzido ainda não é competitivo com relação aos outros processos. A figura abaixo 
mostra o esquema de operação do processo de fabricação do aço por SPRAY. 
 
 
 
7.4 Processo Siemens-Martin 
 
A necessidade de se reciclar grandes quantidades de sucata na fabricação do aço faz com que o 
processo Siemens-Martin ainda seja bastante utilizado hoje. Esse processo permite a utilização de 
ate 50 ou 60% de sucata na carga. Por esse motivo, necessita-se queimar combustível para que se 
possa fundir a carga. Para aumentar a eficiência térmica do processo, o forno Siemens-Martin conta 
com um sistema de regeneradores de calor que operam de forma alternada. Esse processo, cujo 
esquema de carga e vazamento foi desenvolvido de forma simultânea por Siemens (Alemanha) e 
por Martin (França) pode chegar a uma capacidade de carga de entre 500 e 600 toneladas de aço 
e seu tempo de operação pode variar de 8 a 16 horas. As figuras abaixo ilustram este processo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 6 
 
 
7.5 Forno Elétrico 
 
Finalmente, a fabricação do aço, principalmente os de maior qualidade, pode ser feita em fornos 
elétricos. Este processo pode operar com até 100% de sucata e com carga sólida, motivo pelo qual 
necessita de grandes quantidades de energia, obtidas através da formação do arco elétrico entre 
três eletrodos de grafita e a carga sólida. Sua capacidade pode variar de 10 a 50 toneladas de aço 
e seu tempo de operação pode variar de 1 a 2 horas. A figura abaixo ilustra o referido processo.