AULA_1-2_MAT_DE_CONST_MEC

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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
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Prof. Dr.Odney Carlos Brondino
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2011Metodologia de Ensino: Aulas Teoricas
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CRITÉRIO DE AVALAIAÇÃO 
Serão realizadas duas provas obrigatórias (P1 e P2). Às provas não 
realizadas será atribuída a nota “zero”. A média final (MF) será calculada 
como: 
MF =
(P1 + P2)
2
 
Somente no Caso 
� < 5.0, e presença dentro de estipulado pela 
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MF =
2
Somente no Caso 
� < 5.0, e presença dentro de estipulado pela 
UNIVERSIDADE, o aluno deverá realizar uma terceira prova (P3), que tem 
caráter substitutivo e que versará sobre todo o conteúdo ministrado. 
Neste caso, a média será recalculada como segue: 
MF =
(PI + P3)
2
 
onde PI denota a maior nota entre P1 e P2. 
 
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EM – 2211A 
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
P1 30/set P2 25/nov
P3 02/DEZP3
Odney C. Brondino
COBENGE:CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCAÇÃO EM ENGENHARIA 
DE 02 A 07/10/2011
SIMPEP: SIMPÓSIO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 
DE 07 A 09 DE SETEMBRO 
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METALURGIA
1.1 Conhecendo a redução do minério de ferro
Na superfície da Terra há uma imensa variedade de substância formada ao 
longo de milhares de anos pela natureza. Essas substâncias são chamadas de 
minerais. Grande parte dos minerais contém metais em sua composição química. Às 
vezes, dependendo da composição química e da abundância do mineral, é possível a 
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vezes, dependendo da composição química e da abundância do mineral, é possível a 
extração desses metais. 
O minério é uma rocha que contém grande quantidade de um elemento 
químico livre ou combinado com outro elemento. Uma rocha é considerada minério 
quando tem importância econômica, o que depende da concentração e da viabilidade 
econômica de extração de uma substância de interesse. Acredita-se que a composição 
da crosta seja aproximadamente a da Tabela 1.1.
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Elemento Percentual em massa
Oxigênio - O 46,6
Silício - Si 27,7
Alumínio - Al 8,1
Ferro - Fe 5,0
Cálcio - Ca 3,6
Sódio - Na 2,8
Potássio - K 2,6
Magnésio - Mg 2,1
todos os demais 1,5
Tabela 1.1 - Composição da crosta terrestre
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todos os demais 1,5
Como se pode notar o metal mais abundante na crosta terrestre é o alumínio. 
No entanto, muitos metais de grande importância prática são bem mais raros: cobre, 
tório, urânio, mercúrio, ouro. Os elementos não se encontram uniformemente 
disseminados pela crosta, havendo regiões mais ricas em um elemento do que outras.
Os metais possuem, de um modo geral alta tendência a doar elétrons. Assim, 
eles freqüentemente são encontrados em seus minérios com número de oxidação 
positivo, e para que se possa obter o metal a partir do minério, é necessário que ele 
sofra uma REDUÇÃO.
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2011Perceba que se trata exatamente do contrário da corrosão, um processo 
natural que tende a oxidar os metais.
Metalurgia é a seqüência de processos que visa obter um metal a partir do 
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Metalurgia é a seqüência de processos que visa obter um metal a partir do 
minério correspondente.
Podemos esquematizar a metalurgia da seguinte maneira:
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Alguns poucos metais podem ser encontrados livres na Natureza na forma de 
substância simples (ouro, platina, prata) devido a baixa reatividade destes metais. No 
entanto a maioria dos metais existe na forma de compostos, que estão misturados a 
outras substâncias.
Exemplos de minérios importantes podem ser vistos na Tabela 1.2.
Tabela 1.2 - Minérios de vários metais.
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2. SIDERURGIA – A METALURGIA DO FERRO
2.1 Ocorrência do Ferro
O ferro ocorre na natureza sob forma de óxidos, carbonatos e sulfetos.
Tabela 2.1 - Ocorrência do ferro na natureza.
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MAGNETITA 
HEMATITA
14LIMONITA SIDERITA
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As maiores jazidas de ferro do mundo localizam-se na Austrália, Brasil, Estados
Unidos, Rússia, França e Inglaterra.
No Brasil as maiores jazidas encontram-se em Minas Gerais, Mato Grosso do Sul,
Pará, Amapá e Bahia.
O principal minério encontrado no Brasil é a hematita com 50 a 70 % de Ferro (8%
das reservas mundiais) é de boa qualidade devido aos baixos índices de fósforo e
enxofre.
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2.2.1. Ferro Gusa
O ferro gusa (ferro bruto ou ferro de 1a fusão) 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. As Figuras 2.1, 2.2 e 2.3,
mostram esquemas de um alto forno.
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Figura 2.1 - Alto forno siderúrgico
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Figura 2.2 - Alto forno siderúrgico esquematizado.
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Figura 2.3 - Alto forno 
siderúrgico 
esquematizado em 
detalhes.
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BASE DO FORNO
BASE DO FORNO
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Minério
Coque
Zona
Granular
Zona
Alto FornoAlto FornoAlto FornoAlto Forno
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Zona
de Amolecimento
e Fusão
Zona
de Coque Ativa
Camada
em Amolecimento
e Fusão
Zona
de Combustão
Cadinho
Zona de
Gotejamento
Zona
de Coque
Estagnado
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21Figura 2.4. - Carros torpedo
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2.2.2. Composição Química e Obtenção do Ferro Gusa
O ferro gusa contém em torno 4 % de carbono sob forma de cementita (Fe3C).
Possui como principais impurezas o silício (0,3 a 2%), o enxofre (0,01 a 1%), o fósforo
(0,05 a 2%) e o manganês (0,5 a 2%).
O ferro gusa, também chamado de ferro bruto, ele é duro e quebradiço, com baixa
resistência mecânica, devido ao excesso de carbono. Pode ser empregado na
fabricação de peças que são submetidas a pequenos esforços.
Como dito anteriormente o ferro gusa é obtido a partir da fusão de minério de ferro
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Como dito anteriormente o ferro gusa é obtido a partir da fusão de minério de ferro
em altos fornos. O minério geralmente utilizado é a hematita (Fe2O3), constituído
também de sílica (SiO2).
O processo tem como início a sinterização ou pelotização do minério que consiste
em triturar o minério para aumentar a superfície de contato do material tornando-o de
granulometria controlada, o que determinará um melhor rendimento nos alto-fornos
modernos. Junto com o minério são incluídos na carga, calcáreo (carbonato de cálcio
CaCO3 e dolomita), carvão mineral ou vegetal (C) e ar quente.
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O carvão servirá para reduzir o minério e produzir energia, o calcáreo servirá como
fundente.
O minério, coque e fundentes descem pelo alto-forno, enquanto o ar é soprado
diretamente no fundo próximo a base.
O coque desempenha dois papéis: fornecer calor para as reações redutoras na
fusão e reduzir o minério a ferro. A corrente de ar acelera a combustão do coque e
forma óxidos de carbono que reduzem o resto do mineral. Por outro lado, o fundente
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forma escória, que absorve e separa da massa líquida os elementos indesejáveis.
A massa em fusão e a escória fluem através da carga até ao cadinho; a escória
menos densa flutua sobre o ferro e ambos podem ser sangrados em separado e a
intervalos através de um orifício. Todo o ferro produzido vai na sua maior parte, ser
refundido, dado que nesta fase é quebradiço e sem aplicação direta.
O funcionamento do forno é contínuo, com o carregamento das matérias primas
são carregadas no topo e o ferro e escória são retirados pelo fundo. A produção só se
interrompe para reparações, como a mudança do revestimento.
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A maior percentagem do ferro obtido destina-se à produção de aço e a escória
emprega-se para nivelamento de terrenos, e, triturada, como isolante na fabricação de
cimento, além de outros empregos.
A riqueza em monóxido de carbono e hidrogênio do gás que escapa pelo topo
permite empregá-lo como combustível destinado a aquecer as estufas, ou para outros
fins dentro da instalação. O pó dos fumos é recuperado sob a forma de blocos que se
juntam à carga.
A produção diária em média de um alto forno varia de 2.000 a 10.000 toneladas.
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Os altos-fornos que utilizam coque têm
uma altura de até 35m, e os que
empregam carvão vegetal, até 20m.
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A carga do alto forno para a produção de 1 tonelada de FerroGusa pode requerer:
�1,7 toneladas de minério (Fe2O3 + SiO2 )
�0,25 tonelada de calcáreo (CaCO3)
�0,5 tonelada de carvão (CVegetal ou CMineral)
�2 toneladas de ar (H20, N2, O2, ...)
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�total aproximado de carga: 4,45 toneladas
�Gerando aproximadamente:
�1 tonelada de Ferro Gusa (~22,5% da carga)
�0,2 a 0,4 tonelada de escória
�2,3 a 3,5 toneladas de gás (aproveitável).
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2.3. Reações químicas no alto-forno
2.3.1. Produção de energia e formação de monóxido de carbono (CO)
A queima de carvão ativado pela entrada de ar quente fornece calor e monóxido de
carbono, este último importante na redução do minério. A oxidação do carbono ocorre
próximo a entrada de ar (ventaneiras), próximo a base do alto-forno. O excesso de CO
torna o gás do alto forno combustível.
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2.3.2. Redução do ferro
O ferro do minério deve ser reduzido a ferro metálico. O monóxido de
carbono serve para reduzir o ferro.
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2.3.3. Redução do silício, fósforo e manganês
Nas temperaturas mais baixas da parte superior do alto-forno; ocorre a seguinte
reação:
Nas altas temperaturas :
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Esta última reação é incompatível em alto-forno, praticamente todo o fósforo do 
minério é incorporado no ferro gusa.
2.3.4. Reação da escória
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O silicato de cálcio recebe o nome de escória e depositam-se no cadinho sobre o
ferro, evita a oxidação e é retirada periodicamente. As escórias são utilizadas na
produção de tijolos, blocos e concretos.
O gusa em suas diferentes formas tem campo de aplicação bastante vasto.
Gusa branco - de fratura clara, em que o carbono se acha quase todo combinado
com o ferro em forma de carbonetos, sendo pobre em silício. O gusa branco é usado na
fabricação do aço.
Gusa cinzento - de fratura escura, em que o carbono se acha em maior parte livre
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Gusa cinzento - de fratura escura, em que o carbono se acha em maior parte livre
sob a forma de grafita, sendo rico em silício. O gusa cinzento é usado na fabricação de
peças de ferro fundido
Gusa fosforoso - Produto com elevado teor de fósforo, resultante do emprego de
minérios fosforosos e usado na fabricação do aço por processo básico (conversor
Thomas).
O conversor ou processo Thomas foi proposto pelo inglês Thomas em 1878, é 
utilizado para os ferros ricos em fósforo. O ar é insuflado por baixo do conversor e se 
assemelha muito ao conversor ou processo Bessemer