Ciência e técnologia dos materiais (01) lista presencial

Prévia do material em texto

Lista 01 – Aula presencial – GABRIELLE BOCHI LONGO 332811
1. Tipos de Minério de Ferro.
O ferro, na categoria de ferro-gusa (ferro fundido), é obtido a partir de seus minérios: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), limonita (2Fe2O3.3H2O), Pirita (FeS2) e siderita (FeCO3). Entre todos estes tipos de minério, a hematita, que constitui a maioria dos minerais brasileiros, é o mais importante em função da sua relativa abundância e alto teor de ferro.
2. Processo
A fabricação do aço ocorre geralmente em duas etapas: primeiramente a obtenção do chamado ferro gusa, material metálico composto majoritariamente por ferro(hematita), porém contendo também altos teores de carbono (da ordem de 4,5 %) e altos teores de impurezas (enxofre, fósforo e outros elementos), que é produzido a partir do minério de ferro aglomerado sob a forma de sínter ou pelotas, (obtidos respectivamente nos processos de sinterização e pelotização), ao qual são adicionados fundentes (cal, sílica, calcário (CaCO3) e substâncias semelhantes) e o chamado coque metalúrgico, um carvão rico em carbono, (basicamente o resultado da coqueificação do carvão mineral ou vegetal), que é queimado para aquecer esse forno, colocados pela parte superior do alto-forno. Essa mistura funciona como fundente, abaixando o ponto de fusão da hematita;
É injetada na parte inferior do alto-forno uma corrente de ar quente. Ocorre, então, a combustão incompleta do carvão coque na presença do oxigênio molecular injetado, formando-se monóxido de carbono (CO):
2 C + O2 → 2 CO
O monóxido de carbono reage com a hematita (óxido de ferro - Fe2O3), originando óxido de ferro II (FeO) e dióxido de carbono;
3 Fe2O3 + CO → 2 Fe2O4+ CO2
Essa é uma das duas camadas formadas no alto-forno, é a mais densa e esse ferro é chamado de ferro-gusa, que contém de 2% a 5% de carbono, sendo muito quebradiço.
Por meio dele, obtém-se o aço – liga metálica formada por aproximadamente 98,5% de ferro, 0,5 a 1,7% de carbono e traços de silício, enxofre e oxigênio. É usado em peças metálicas que sofrem elevada tração, pois é mais resistente à tração do que o ferro puro. O aço também tem maior dureza que o ferro e pode ser trabalhado pela forja, laminação e extrusão.
A camada menos densa que é formada no alto-forno é chamada de escória, que é resfriada por jatos d’água, sendo utilizada como matéria-prima para a fabricação de cimento, principalmente do tipo Portland. Ela é formada quando o calcário se decompõe em CaO, CO2­ e impurezas. O CaO reage com a sílica (impurezas do minério):
CaCO3 → CaO + CO2­
CaO + SiO2 → CaSiO3
Antes de chegar à aciaria o ferro gusa é armazenado em imensos fornos rotativos, de modo que a quantidade de gusa não seja superior ao que pode ser processado na aciaria, e nestes fornos sua temperatura e sua composição química são controladas.
Para obter o ferro doce, que é o ferro purificado em praticamente 100%, utilizam-se várias técnicas. Uma delas consiste na injeção de gás oxigênio puro dentro do alto-forno, a elevadas pressões. Desse modo, o oxigênio reage com o carbono, que se transforma em dióxido de carbono e desprende-se do ferro, sendo removido. 
De um modo geral, na operação do alto forno os fatores mais importantes são: a termodinâmica das reações de redução, de Fe2O3 até chegar a Fe metálico, pressão de O2 e sua influência sobre os óxidos, as zonas do alto forno (reserva), onde deve haver controle dos teores de silício e de enxofre, as ventaneiras (pressão de CO), os fenômenos de amolecimento e o controle da quantidade de combustíveis.
Para a adequada redução do minério no alto forno é necessário que a carga seja bem distribuída e nivelada. Para alcançar estes objetivos, utilizam-se dispositivos que promovem a distribuição e o nivelamento da carga, que é distribuída em camadas alternadas de coque, minério e calcário.
3. Equipamentos
Após a produção no alto forno o ferro gusa é submetido à conversão em aço na aciaria a oxigênio que também recebe sucata como parte da matéria-prima, onde nos conversores ocorre basicamente a oxidação do excesso de carbono e das impurezas, tendo o teor de ferro elevado pela eliminação de impurezas e grande parte do carbono, resultando numa liga ferrosa com teor de carbono bem mais baixo (em geral inferior a 1 %) e com baixíssimo nível de impurezas, que pode ser considerado residual. 
No ferro gusa destinado à aciaria existe silício em proporções significativas. Se a proporção de silício for insuficiente, acarretará problemas na aciaria, pois a escória se tornará muito básica. Entretanto, se o teor de silício for muito alto, problema inverso ocorre, a escória será muito ácida e excessiva, acarretando perdas de metal.
O aço líquido é submetido ao lingotamento contínuo (mais comum atualmente, por questões de produtividade do que a solidificação em lingoteiras) e assim, solidificado, é encaminhado aos processos de conformação mecânica, como laminação (inicialmente a quente e posteriormente a frio) e o forjamento.
A obtenção de ferro gusa geralmente ocorre no chamado alto forno, embora um material quimicamente semelhante, porém com aspecto esponjoso possa ser obtido pelo processo de redução direta, e depois utilizado de modo semelhante ao ferro gusa sólido obtido no alto forno.
Essa rota alternativa prevê a alimentação de minério de ferro e pelotas numa usina de redução direta de minério de ferro, constituída por fornos de redução direta, que são retortas verticais com gás reformado. Por esta rota, ao invés do ferro gusa, é obtido o chamado ferro esponja (no estado sólido), que junto com sucata é utilizado como matéria-prima nos fornos elétricos, onde é obtido o aço líquido, solidificado no lingotamento contínuo e depois ás operações de conformação mecânica do aço sólido, como laminação e forjamento.