terça-feira, 15 de dezembro de 2009

Processo de Fabricação do aço

História do aço



A fabricação de ferro teve início na Anatólia, cerca de 2000 a.C. tendo sito a idade do ferro plenamente estabelecida por volta de 100 a.C.. Neste período a tecnologia da fabricação do ferro se espalhou pelo mundo. Em, aproximadamente, 500 a.C., chegou às fronteiras orientais da Europa e por volta de 400 a.C. chegou à China. Os minérios de ferro eram encontrados em abundância na natureza assim como, o carvão. Atualmente a maior quantidade de matéria prima para produção de aço é a sucata proveniente dos resíduos de fabricação industrial.


A forma de produção era em pequenos fornos na forma de torrões ou pedaços sólidos, denominados tarugos. Estes, em seguida, eram forjados a quente na forma de barras de ferro trabalhando, possuindo maleabilidade, contendo, entretanto pedaços de escória e carvão. O teor de carbono dos primeiros aços fabricados variava de 0,07% até 0,8% sendo este último considerado um aço de verdade.


Os egípcios por volta de 900 a.C. já dominavam processos relativos a tratamentos térmicos nos aços para fabricação de espadas e facas. Como quando o teor de carbono supera 0,3% o material torna-se muito duro e frágil caso seja temperado (resfriado bruscamente em água) de uma temperatura acima de 850°C a 900°C, eles utilizavam o tratamento denominado revenido que consiste em diminuir a fragilidade minimizando-a por reaquecimento do aço a uma temperatura entre 350°C e 500°C.


Já os chineses produziam aços tratados termicamente por volta de 200 a.C. e os japoneses aprenderam a arte da produção de artefatos em metal dos chineses, embora tenham ajudado a espalhar o conhecimento da tecnologia da fabricação de aços, aumentando muito a produção de ferro trabalhado no mundo romano.


Com o declínio do Império Romano, a produção de aço ou ferro trabalhado se estabilizou na Europa até que, no começo do século XV, começou-se a utilizar quedas d'água para insuflar ar nos fornos de fusão. Em conseqüência a temperatura no interior dos fornos passou a ser maior de 1200°C. Desta forma, ao invés de produzirem-se os torrões, passou-se a produzir um líquido rico em carbono: o ferro fundido. Para se obter o ferro trabalhado e reduzir o teor de carbono deste ferro fundido, o mesmo era solidificado e em seguida fundido em atmosfera oxidante, utilizando carvão como combustível. Este processo retirava o carbono de ferro dando origem a um tarugo semi-sólido que após resfriamento era martelado até chegar na forma final.


Os minérios e o Brasil



A chegada dos portugueses ao Brasil trazia consigo a esperança da exploração de metais como ouro, prata e bronze. Porém, não encontraram nem ferro nem outros metais num primeiro momento. Os poucos ferreiros que vieram para o Brasil utilizavam em seus trabalhos o ferro originário da Europa e faziam os instrumentos usados na lavoura.
Em 1554, o padre jesuíta José de Anchieta, relatou em um informe ao rei de Portugal, a existência de depósitos de prata e minério de ferro no interior da capitania de São Vicente, atualmente estado de São Paulo.


A produção de ferro iniciou pela redução de magnetita descoberta na atual região de Sorocaba, em 1587, por Afonso Sardinha. É a primeira fábrica de ferro que se tem notícia no Brasil. As forjas construídas por Sardinha operaram até a sua morte, em 1629. Após essa data, a siderurgia brasileira entrou em um período de estagnação que durou até o século seguinte.



O processo de fabricação do aço



O aço é obtido basicamente de duas matérias-primas: o minério de ferro (principalmente a hematita) e o carvão mineral. Porém como essas matérias não são encontradas puras na natureza, torna-se necessário um preparo prévio dos materiais tendo como objetivo o aumento da eficiência de toda a operação industrial além da redução do consumo de energia. Dessa forma, o aço pode ser definido como uma liga metálica composta principalmente por ferro e pequenas quantidades de carbono. Para aços utilizados na construção civil, os teores de carbono variam de 0,18% a 0,25%.



O carvão exerce duplo papel na fabricação do aço. Como combustível, permite alcançar altas temperaturas (cerca de 1.500º Celsius) necessárias à fusão do minério. Como redutor, associa-se ao oxigênio que se desprende do minério com a alta temperatura, deixando livre o ferro. O processo de remoção do oxigênio do ferro para ligar-se ao carbono chama-se redução e ocorre dentro de um equipamento chamado alto forno.



O processo siderurigico para obtenção do aço pode ser divido em 4 grandes etapas:



• Preparo das matérias primas (coqueira e sintetização)
• Produção de Guza (alto-forno)
• Produção de aço (aciaria)
• Conformação mecânica (laminação)



1° ETAPA – Preparo das matérias primas



Antes de serem levados ao alto forno, o minério e o carvão são previamente preparados para melhoria do rendimento e economia do processo. O minério é transformado em pelotas e o carvão é destilado, para obtenção do coque. Grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque, o produto resultante é chamado de sinter. O carvão é processado na coqueria e transforma-se em coque.



2° ETAPA – Produção de guza



A coqueificação ocorre a uma temperatura de 1300°C em ausência de ar durante um período de 18 horas, onde ocorre a liberação de substâncias voláteis. O produto resultante desta etapa, o coque, é um material poroso com elevada resistência mecânica, alto ponto de fusão e grande quantidade de carbono. "O coque, nas especificações físicas e químicas requeridas, é encaminhado ao alto-forno e os finos de coque são enviados à sinterização e à aciaria. O coque é a matéria prima mais importante na composição do custo de um alto-forno (60%)".



Na sinterização, a preparação do minério de ferro é feita cuidando-se da granulometria, visto que os grãos mais finos são indesejáveis pois diminuem a permeabilidade do ar na combustão, comprometendo a queima. Para solucionar o problema, adicionam-se materiais fundentes (calcário, areia de sílica ou o próprio sínter) aos grão mais finos.



Com a composição correta, estes elementos são levados ao forno onde a mistura é fundida. Em seguida, o material resultante é resfriado e britado até atingir a granulometria desejada (diâmetro médio de 5mm). O produto final deste processo é denominado de sínter.



Na redução do minério de ferro, é utilizado o coque metalúrgico e outros fundentes, que misturados com o minério de ferro são transformados em ferro gusa. A reação ocorre no equipamento denominado Alto Forno, e constitui uma reação exotérmica. Após a reação, o ferro gusa na forma líquida é transportado nos carros-torpedos (vagões revestidos com elemento refratário) para uma estação de dessulfuração, onde são reduzidos os teores de enxofre a níveis aceitáveis. Também são feitas análises da composição química da liga (carbono, silício, manganês, fósforo, enxofre) e a seguir o carro torpedo transporta o ferro gusa para a aciaria, onde será transformado em aço.



Neste processo de redução, impurezas como calcário, sílica etc. formam a escória, que é matéria-prima para a fabricação de cimento.



3° ETAPA – Produção de aço (refino)



Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e a sucata de ferro e aço em aço líquido. Nessa etapa parte do carbono contido no gusa é removido juntamente com impurezas.



A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir semi-acabados, lingotes e blocos.



4° ETAPA – Conformação mecânica



Finalmente, a quarta fase do processo de fabricação do aço é a laminação. Na aciaria, o ferro gusa é transformado em aço através da injeção de oxigênio puro sob pressão no banho de gusa líquido, dentro de um conversor. A reação, constitui na redução da gusa através da combinação dos elementos de liga existentes (silício, manganês) com o oxigênio soprado, o que provoca uma grande elevação na temperatura, atingindo aproximadamente 1700°C. Os gases resultantes do processo são queimados logo na saída do equipamento e a os demais resíduos indesejáveis são eliminados pela escória, que fica a superfície do metal. O aço, em processo de solidificação, é deformado mecanicamente e transformado em uma grande variedade de produtos siderúrgicos, cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química.



Lingotamento contínuo
No processo de lingotamento contínuo o aço líquido é transferido para moldes onde se solidificará. O veio metálico é continuamente extraído por rolos e após resfriado, é transformado em placas rústicas através do corte com maçarico



Laminação a quente
Posteriormente, os lingotes devem passar pelo processo de laminação, podendo ser a quente ou a frio, onde se transformarão em chapas através da diminuição da área da seção transversal. Na laminação a quente, a peça com aproximados 250 mm é aquecida e submetida à deformação por cilindros que a pressionarão até atingir a espessura desejada. Os produtos laminados a quente podem ser:


Chapas Grossas
espessura: 6 a 200 mm
largura: 1000 a 3800 mm
comprimento: 5000 a 18000 mm


Tiras
espessura: 1,2 a 12,50 mm
largura: 800 a 1800 mm
comprimento-padrão: 2000, 3000 e 6000 mm

Tensões Residuais

Devido ao resfriamento desigual das peças, chapas e perfis laminados a quente apresentam tensões que permanecem após o completo resfriamento. Em chapas, por exemplo, as bordas se solidificam mais rapidamente que o centro, servindo como um quadro que impedirá a retração da peça como um todo, fazendo com que o centro da peça permaneça tracionado. A norma NBR 8800 fixa essa tensão em 115 MPa.



Laminação a frio
Ao contrário do processo de laminação a quente as peças laminadas a frio são normalmente mais finas, com melhor acabamento e sem a presença de tensões residuais.

Dimensões:
espessura: 0,3 a 3,00 mm
largura: 800 a 1600 mm
comprimentos-padrão: 2000, 2500 e 3000 mm

A Figura 1 apresenta de maneira esquemática o precesso de fabricação do aço nas aciarias.



Figura 1: Processo de fabricação ao aço nas aciarias.
ENTENDENDO O PROCESSO DE AÇO NAS INDÚSTRIAS SIDERURGICAS

O processo de fabricação do aço compreende varias fases e segundo o Instituto Aço Brasil, todos ou apenas parte desses processos podem ocorrer em uma usina siderúrgica. Desta, forma a seguir é apresentada a classificação dessa usinas em função do processo de produção do aço.



As usinas integradas operam as três fases do processo siderúrgico: redução, refino e laminação. Produzem ferro a partir do ferro-guza liquido em alto-forno, a partir do uso de minério de ferro, com uso de coque ou carvão vegetal como redutor. A transformação do guza em aço (refino) é feita em fornos de oxigênio.



As usinas semi-integradas operam as fases de refino e laminação a partir da fusão de metálicos (sucata, guza e/ou ferro-esponja) fundido e refinado em forno elétrico.



Já as usinas não-integradas não produzem aço, dispondo apenas de unidade de redução ou processamento.




Referencias



Disponível em: http://www.cesec.ufpr.br/metalica/01/01-texto.htm. Acesso em: 28 de agosto de 2009.
Disponível em: http://www.dionisio.eng.br/Metalica/EM01.htm. Acesso em: 28 de agosto de 2009.
Disponível em: http://www.acobrasil.org.br/site/portugues/aco/processo--introducao.asp. Acesso em: 28 de agosto de 2009.
Disponível em: http://www.difero.com.br/saiba historia.asp. Acesso em 05 de setembro de 2009.






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