Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e Matemática

Nelson Martins Vimieiro

ENSINO DE FÍSICA TÉRMICA A PARTIR DO ESTUDO DO ALTO-FORNO

Belo Horizonte

2013

Nelson Martins Vimieiro

ENSINO DE FÍSICA TÉRMICA A PARTIR DO ESTUDO DO ALTO-FORNO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós

Graduação em Ensino da Pontifícia

Universidade Católica de Minas Gerais, como

requisito parcial à obtenção do título de

Mestre em Ensino de Ciências e Matemática.

Área de concentração: Ensino de Física

Orientadora: Profª. Dra. Yassuko Hosoume

Belo Horizonte/MG 2013

DEDICATÓRIA

À minha querida esposa Meirilene e também aos meus amados filhos

Samuel e Davi

AGRADECIMENTOS

Primeiramente e excepcionalmente a Deus. Mas também a todos que

de maneira direta ou indireta contribuíram para este trabalho, em particular:

• Ao meu pai Ronald e minha mãe Lúcia.

• A minha avó Maria da Conceição.

• Aos meus tios: José Fábio, José (in memorian), Alode (in memorian) e

Albenides (in memorian).

• Aos meus irmãos José Ronaldo, Alfredo e Cristina.

• A Profª Drª Yassuko - não vou agradecer aqui em palavras para não limitar o

agradecimento.

• Ao amigo Prof. Dr. José Antônio Pinto

• Ao Engenheiro Metalúrgico Alysson Tadeu Pereira Almeida Costa.

Pois ainda em bem pouco tempo aquele que há de vir

virá, e não tardará. (HEBREUS 10:37)

Bendito o varão que confia no Senhor, e cuja esperança é

o Senhor.

Porque é como a árvore plantada junto às águas, que

estende as suas raízes para o ribeiro, e não receia

quando vem o calor, mas a sua folha fica verde; e no ano

de sequidão não se afadiga, nem deixa de dar fruto.

(JEREMIAS 17:7,8)

RESUMO

Este trabalho tem como produto final uma proposta didática para o ensino dos

conteúdos da Física Térmica, no contexto da compreensão do funcionamento

de um alto-forno siderúrgico. Utilizando como referencial teórico os PCN,

PCN+, CBC e artigos da área, a proposta está estruturada nos três momentos

pedagógicos: problematização inicial, organização do conhecimento e

aplicação do conhecimento. O material pedagógico elaborado é dirigido ao

professor de Física e é constituído de nove atividades. A problematização

inicial é feita por um levantamento do conhecimento do aluno sobre o

funcionamento de uma usina siderúrgica e o seu papel econômico e social,

tanto para o seu entorno quanto para o país. Nesse processo são identificadas

as representações iniciais do alto-forno através de desenhos elaborados pelos

alunos, identificando suas partes principais. Uma confrontação desses

desenhos com um esquema de alto-forno de uma siderurgia leva à

necessidade de compreensão de conceitos das ciências, que vão sendo

explorados no desenvolvimento das atividades. A identificação, das

características específicas de partes do alto-forno associada às condições

térmicas do processo de fabricação do ferro-gusa a partir do minério de ferro,

propicia a compreensão de conteúdos de física térmica como os conceitos de

temperatura, calor e energia térmica, as propriedades como a capacidade

térmica ou calor especifico de materiais, a relação entre temperatura e

mudança de estado físico da matéria e os fenômenos da condução e da

convecção térmica. A aplicação e sua avaliação, em escola pública do ensino

médio, da cidade de Ouro Branco, com participação de uma centena de alunos,

mostraram a viabilidade da proposta elaborada, não somente para regiões em

que há uma siderurgia, como também para a sua utilização em qualquer escola

de ensino médio que tenha como perspectiva uma educação científica

contextualizada.

Palavras chave: Ensino contextualizado, ensino de física térmica, alto-forno,

ensino médio.

ABSTRACT

This work presents a didactic proposal for Thermal Physics teaching through

the understanding of a blast furnace steel operation. Using as theoretical

references the PCN, PCN+, CBC and papers, our proposal is structured in

three pedagogical moments: problematization, knowledge organization and

knowledge application. The educational material produced is directed to

Physics Teachers and consists on nine activities. The initial questioning is done

by a survey about the student's knowledge on the steel mill operation and its

economic and social role, both for its surroundings and for the country. We

identify the blast furnace initial representations through students’ drawings,

underlining their main parts. The comparison about these drawings with a blast

furnace steel scheme requires science concepts understanding that are

explored in the proposed activities. The specific characteristics identification of

the furnace thermal parts linked with the manufacturing process conditions of

pig iron from iron ore provides a thermal physics contents understanding as

temperature, heat and thermal energy contents, thermal capacity material

specific heat proprieties, the temperature and matter state change relationship

and the conduction and convection thermal phenomena. The didactic proposal

was applied at a public high school in the Ouro Branco city to hundred students.

The proposal evaluation showed its feasibility not only for furnace steel

surroundings, but also for any high school that follow a contextualized scientific

education perspective.

Keywords: contextualized teaching, thermal physics teaching, blast furnace

steel, high school teaching.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Desenho de aluno.................................................................. 33 Figura 2 – Desenho de aluno.................................................................. 33 Figura 3 – Desenho de aluno.................................................................. 34 Figura 4 – Vista parcial de Alto-Forno..................................................... 42 Figura 5 – Vista de Alto-Forno................................................................. 42 Figura 6 – Vista de Alto-Forno internamente............................................ 43 Figura 7 – Esquema de operação de Alto Forno..................................... 43 Figura 8 – Partes de Alto-Forno.............................................................. 44 Figura 9 – Esquema de Alto-Forno......................................................... 46 Figura 10 - Exemplos das matérias primas ferrosas. Minério de ferro granulado (in natura) e sinter...................................................................

48

Figura 11 - Coque com granulometria adequada (a),e com excesso de finos (b)....................................................................................................

51

Figura 12 – Esquema de Alto-Forno para o aluno colorir........................ 57 Figura 13 – Divisões de Alto-Forno ......................................................... 59 Figura 14 – Chama da vela....................................................................... 60 Figura 15 – Regiões do Alto-Forno............................................................ 74 Figura 16 - Desenho de AF de um aluno na Atividade 1.......................... 82 Figura 17 - Desenho de AF do mesmo aluno da figura 18 na Atividade 9...............................................................................................................

82

Figura 18 - Desenho de AF de um aluno na Atividade 9.......................... 83 Figura 19 - As diversas temperaturas dos gases no AF.......................... 92 Figura 20 - Regiões de um AF.................................................................. 95 Figura 21 - Zonas no interior de um AF..................................................... 96 Figura 22 - Exemplos das matérias-primas ferrosas. Minério de ferro granulado (in natura) e sinter...................................................................

101

Figura 23 - Coque com granulometria adequada (a), e com excesso de finos (b)....................................................................................................

103

Figura 24 - Equipamentos do topo do AF................................................ 104 Figura 25 - Representação esquemática de diversos tipos de sensores e de equipamentos instalados para monitorar e controlar vários parâmetros durante a operação de um AF...............................................

106 Figura 26 - Regenerador Cowpers com câmara de combustão interna, (a) fase gás e (b) fase vento....................................................................

109

Figura 27 - Esquema do circuito de aquecimento do ar quente injetado no AF para 3 regeneradores....................................................................

110

Figura 28 - Esquema de revestimento refratário de um AF..................... 113 Figura 29- Stave Coller do AF1 da Gerdau Açominas.............................. 115 FIGURA 30- Desenho do Britador........................................................... 133 FIGURA 31- Alto Forno............................................................................ 134 FIGURA 32- Alto Forno............................................................................ 134 Figura 33- Alto Forno ............................................................................... 135 FIGURA 34- Alto Forno............................................................................. 135 FIGURA 35- Alto Forno............................................................................. 136 FIGURA 36- Alto Forno............................................................................. 136 Figura 37- Alto Forno................................................................................. 137 Figura 38- Alto Forno................................................................................ 137 Figura 39- Alto Forno............................................................................... 138 Figura 40- Alto Forno............................................................................... 139

Figura 41- Alto Forno............................................................................... 139 Figura 42- Alto Forno............................................................................... 140 Figura 43- Alto Forno............................................................................... 140 Figura 44- Alto Forno............................................................................... 141 Figura 45- Alto Forno............................................................................... 141 Figura 46- Alto Forno............................................................................... 142 Figura 47- Alto Forno............................................................................... 143 Figura 48- Alto Forno............................................................................... 143 Figura 49- Alto Forno ............................................................................... 144 Figura 50- Alto Forno ............................................................................... 144 Figura 51- Alto Forno ............................................................................... 145 Figura 52- Alto Forno............................................................................... 145 Figura 53- Alto Forno............................................................................... 146 Figura 54- Alto Forno ............................................................................... 147 Figura 55- Alto Forno ............................................................................... 147 Figura 56- Alto Forno ............................................................................... 148 Figura 57- Alto Forno............................................................................... 149 Figura 58- Alto Forno ............................................................................... 149 Figura 59- Alto Forno............................................................................... 150 Figura 60- Alto Forno............................................................................... 153 Figura 61- Alto Forno............................................................................... 153

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Tema 3: Energia Térmica...................................................... 20

TABELA 2 – Condutividade térmica.......................................................... 74

TABELA 3 – Calor específico.................................................................... 80

TABELA 4 – Competências e Habilidades................................................

119

LISTA DE QUADROS

QUADRO 1 – Esquema de atividades da proposta didática..................... 30

QUADRO 2 - Exemplo de questionário..................................................... 31

QUADRO 3 – Comentário sobre diferenças de temperatura.................... 45

QUADRO 4 – Comentário sobre desenho de aluno.................................. 46

QUADRO 5 – Comentário sobre o desenho da entrada de gusa............. 55

QUADRO 6 – Comentário sobre o desenho de gases do AF................... 55

QUADRO 7 – Temperatura e cor.............................................................. 61

QUADRO 8 – Comentário – Visão do aluno de um AF............................. 68

LISTA DE SIGLAS

AF – Alto-Forno

PCN – Parâmetros Curriculares Nacionais

PCN+ - Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros

Curriculares Nacionais

PNLD – Programa Nacional do Livro Didático

CBC – Currículo Básico Comum

LDB – Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional

ENEM – Exame Nacional do Ensino Médio

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................... 12

2. O ENSINO DE FÍSICA NO BRASIL................................................... 14 2.1 Ensino de Física nos PCN+ e no CBC........................................... 16 2.2 Ensino de Física Térmica no contexto da pesquisa.................... 22 2.3 Justificativa do Trabalho de Pesquisa.......................................... 24

3. ENSINO DE FÍSICA E O ESTUDO DO ALTO-FORNO................... 26

4. TEXTO PARA O PROFESSOR: UMA PROPOSTA DE ENSINO DE FÍSICA USANDO ALTO-FORNO... 28

4.1 Atividade nº 1: A usina siderúrgica de nossa cidade.................. 31 4.2 Atividade nº 2 : Conferindo os conhecimentos............................. 34

4.3 Atividade nº 3: O que tem de diferente entre os esquemas?....... 41 4.4 Atividade nº 4: O que entra e sai de um alto-forno?..................... 44

4.5 Atividade nº5 : Temperaturas no interior do alto-forno................ 54

4.6 Atividade nº 6: As transformações do minério de ferro............... 62

4.7 Atividade nº7: As paredes de um alto-forno são especiais?....... 68 4.8 Atividade nº8: Refrigeração a água – que propriedade é essa

da água?..................................................................................................

75

4.9 Atividade nº9: Avaliando o trabalho realizado com os alunos....

78

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS...............................................................

84

REFERÊNCIAS........................................................................................ 87

ANEXOS.................................................................................................................... 90

12

1. INTRODUÇÃO

Desde 1997 leciono Física na cidade de Ouro Branco – MG, uma cidade de

aproximadamente 40 mil habitantes, onde há uma Siderúrgica (Gerdau Açominas)

que exerce um papel muito importante para a região e o país. Pude ao longo desses

anos de trabalho perceber que os alunos tinham pouco conhecimento sobre a

importância dessa metalurgia de aço. Embora muitos estudantes tivessem familiares

que trabalhavam e trabalham lá também não possuíam conhecimento a respeito

dela, o que produz e como produz.

Por outro lado, eu como professor de física ficava incomodado de ter pouco

conhecimento nesse setor siderúrgico e de não relacionar a física que eu ensinava

em sala de aula com os muitos fenômenos físicos que sabia que estavam ocorrendo

nesse processo de produção do aço. Outro aspecto que me levava a refletir sobre a

inserção da relação entre ensino de física e siderurgia foi a possibilidade dos alunos

trazerem para a sala de aula os conhecimentos e experiências vivenciadas pelos

seus familiares, tornando assim o aprendizado da física muito mais interessante.

Iniciado o Mestrado em Ensino de Física da Pontifícia Universidade Católica

de Minas Gerais era perguntados a nós, alunos da disciplina Produção do

Conhecimento em Ensino de Física, sobre qual assunto de Ensino de Física

queríamos desenvolver a pesquisa do mestrado. Expressei esse meu desejo de

ensinar uma física mais significativa inserida em um contexto relacionado com a

vivência dos alunos, ciente de que estava diante de pelo menos dois desafios:

desenvolver uma proposta didática envolvendo a siderurgia e ao mesmo tempo

compreender o funcionamento de uma siderurgia e a física nela envolvida, temas

bastante distantes do ensino de física normalmente desenvolvida nas escolas.

Uma animação do Alto-Forno Nº1 da Siderúrgica Gerdau Açominas em flash

player foi o ponto de partida de meu estudo sobre siderurgia. Passei a pesquisar em

livros e na internet o processo de produção do ferro-gusa e considerando que este

tema é novo no âmbito do ensino de física redigi para o professor um texto que

esquematiza os principais processos que ocorrem no interior de um alto-forno, com

indicações dos conteúdos de física que poderiam ali ser ensinados. (ANEXO A).

Os conteúdos de física térmica como calor, mudança de fase, calor

específico, 1ª. Lei da Termodinâmica, etc e de mecânica como as leis de Newton,

hidrodinâmica, etc estavam mais presentes, totalizando 26 temas (16 de física

13

térmica, 9 de Mecânica e 1 de eletricidade). Utilizando como referência os PCN+

(BRASIL, 2000), foi montada uma tabela com habilidades e competências que

poderiam ser desenvolvidas para cada um dos temas. (ANEXO B).

Levando em conta a estruturação do ensino médio de Ouro Branco, em que

os conteúdos disciplinares são ensinados seguindo as grandes áreas da Física

(mecânica na 1ª. série; física do calor e da luz na 2ª. série e eletromagnetismo e

física moderna na 3ª. série) optamos por desenvolver nossa proposta didática

relativa apenas a uma área do conhecimento – física térmica ou física do calor. A

escolha do tema e suas justificativas estão no Capítulo 2.

A próxima etapa foi à pesquisa de artigos relacionados com ensino de física

térmica publicados em revistas e atas de encontros de pesquisa em ensino de física.

Com a leitura desses trabalhos, através de uma síntese de cada artigo lido e

apontando se há ou não relação com a pesquisa em desenvolvimento, foi elaborado

o Cap. 3 que contextualiza o trabalho inserindo-o no cenário da educação brasileira

e das pesquisas em ensino de física térmica.

Em seguida foi desenvolvida uma proposta didática para o professor de física

(Capítulo 4), dos principais conteúdos da Física Térmica através do estudo de um

alto-forno (AF) siderúrgico, fundamentada em três momentos pedagógicos:

problematização inicial, organização do conhecimento e aplicação do conhecimento

(Delizoicov, 2002). A proposta didática é composta de 9 atividades de Ensino de

Física, sendo a primeira um levantamento do conhecimento sobre a usina

siderúrgica e a última um questionário dirigido aos alunos almejando a avaliação do

trabalho desenvolvido.

Após a elaboração, aplicação, revisão e reflexão, no Capitulo 5 são

apresentadas algumas considerações finais sobre o trabalho e seu desenvolvimento.

E, por fim, apresentam-se as Referências Bibliográficas, seguida pelos

anexos A, B e C. No ANEXO C está uma discussão mais detalhada das respostas

dos alunos às Atividades de número um a oito.

14

2 - O ENSINO DE FÍSICA NO BRASIL

Frente a uma área educacional problemática em relação aos níveis de

conhecimento e de formação para uma compreensão adequada do mundo

contemporâneo do século XXI, o Ministério da Educação propôs nos finais dos anos

1990 a nova Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional (LDB) (Lei 9.394/1996)

que fixa o Ensino Médio como parte da Educação Básica e direito de todo cidadão.

O ensino médio passa a integrar a etapa do processo educacional que a Nação considera básica para o exercício da cidadania, base para o acesso às atividades produtivas, para o prosseguimento nos níveis mais elevados e complexos de educação e para o desenvolvimento pessoal, referido à sua interação com a sociedade e sua plena inserção nela, que “tem por finalidades desenvolver o educando, assegurar-lhe a formação comum indispensável para o exercício da cidadania e fornecer-lhe meios para progredir no trabalho e em estudos posteriores”. (BRASIL, 1999, p.21)

O novo ensino médio passa a ter o atributo da terminalidade, uma etapa final

de uma educação geral com competências básicas que proporciona ao educando

sujeito produtor de conhecimentos e atuante no mundo do trabalho e ao exercício da

cidadania. Ele procurou atender ao educando num contexto de um novo significado

de trabalho para um mundo globalizado em que há necessidade do ser humano ser

ativo para contínuo aperfeiçoamento nos novos conhecimentos.

A tecnologia moderna, cada vez mais acessível e trazendo novas

informações, exige uma educação em que não há sentido memorizar conhecimentos

que estão sendo vencidos, mas requer do educando o desenvolvimento de

competências básicas que lhe permita ampliar sua capacidade de prosseguir

aprendendo.

Agora, a velocidade do progresso científico e tecnológico e da transformação dos processos de produção torna o conhecimento rapidamente superado, exigindo-se uma atualização contínua e colocando novas exigências para a formação do cidadão. (BRASIL, 1999, p.25 )

O norte da proposta curricular para a educação no contexto da LDB/1996 teve

como diretriz os quatro pilares da educação para o século XXI (aprender a conhecer,

aprender a fazer, aprender a viver e aprender a ser), apontadas pela UNESCO como

15

centro estrutural da educação para a sociedade em que vivemos. A partir dessas

diretrizes gerais o currículo tem como eixo: a Base Nacional Comum:

A base nacional comum refere-se ao conjunto de conteúdos mínimos das áreas de conhecimento articulados aos aspectos da vida cidadã que devem constar dos currículos escolares do ensino fundamental. Esses conteúdos mínimos das áreas de conhecimento são noções e conceitos essenciais sobre os fenômenos, processos, sistemas e operações, que contribuem para constituição do conhecimento, valores e práticas sociais indispensáveis ao exercício de cidadania plena.

1

A nova proposta curricular do ensino médio se estrutura por área de

conhecimento escolar e não por áreas das ciências como Física, Quimica,

Matemática , Geografia, etc por compreender que os conhecimentos que

compartilham objetos de estudo criam condições para que a prática escolar se

desenvolva numa perspectiva interdisciplinar, estabelecendo a organização em três

áreas: Linguagens, Códigos e suas Tecnologias, Ciências da Natureza, Matemática

e suas Tecnologias e Ciências Humanas e suas Tecnologias. Essa estruturação

Justifica-se por assegurar uma educação de base científica e tecnológica, na qual conceito, aplicação e solução de problemas concretos são combinados com uma revisão dos componentes socioculturais orientados por uma visão epistemológica que concilie humanismo e tecnologia ou humanismo numa sociedade tecnológica”. (BRASIL: 1999, p.32)

A Física, a Biologia, a Química e a Matemática pertencem à área de

conhecimentos a serem ensinados em Ciências da Natureza, Matemática e suas

Tecnologias e atendendo a Base Nacional Comum essas quatro disciplinas

possuem competências e habilidades afins a serem desenvolvidas utilizando seus

conteúdos numa perspectiva em que a ciência é compreendida como parte da

cultura humana.

Espera-se que o ensino de Física, na escola média, contribua para a formação de uma cultura científica efetiva, que permita ao indivíduo a interpretação dos fatos, fenômenos e processos naturais, situando e dimensionando a interação do ser humano com a natureza como parte da própria natureza em transformação. (BRASIL, 1999, p.229).

1 http://www.educabrasil.com.br/eb/dic/dicionario.asp?id=187 – Acessado em 24-9-2012.

16

Em meio a tantas situações impróprias ao aprendizado da Física que ocorrem

atualmente em nossas escolas como a simples enunciação de conceitos, soluções

de problemas repetitivos, apresentação do conhecimento como produto acabado,

como se não restasse nenhum problema relevante a ser resolvido, espera-se que

pela nova definição dos objetivos educacionais pelas competências a serem

desenvolvidas durante o processo de ensino, o educando possa construir seu

verdadeiro conhecimento e para que isso se realize precisamos repensar qual Física

devemos ensinar-lhes.

Dar ao ensino de Física essa nova missão significa promover um

conhecimento contextualizado e integrado à vida de cada jovem. Significa ensinar

uma Física que tem como ponto de partida e também de chegada o mundo vivencial

do aluno, sua realidade próxima ou distante, os objetos que ele lida no dia a dia ou

aquele fenômeno que vai despertar sua curiosidade, fazendo com que as

investigações, abstrações e generalizações potencializadas pelo saber da Física

possibilitem um novo olhar para objetos tecnológicos ou fenômenos significativos de

seu interesse. “Portanto, o conhecimento da Física "em si mesmo" não basta como

objetivo, mas deve ser entendido, sobretudo como um meio, um instrumento para a

compreensão do mundo, podendo ser prático, mas permitindo ultrapassar o

interesse imediato.” (BRASIL, 1999, p.230).

2.1 - Ensino de Física nos PCN+ e no CBC

A partir das diretrizes apresentadas pela LDB/1996, foram elaborados pelo

MEC os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) para o ensino básico e aqueles

dirigidos ao ensino médio, publicados em 1999 (BRASIL, 1999), Neste documento,

para a área das Ciências da Natureza e Matemática, encontram-se as diretrizes

gerais com a descrição dos objetivos do ensino pelas suas competências e

habilidades gerais nas três dimensões do conhecimento: representação e

comunicação (relativa ao domínio de linguagens), investigação e compreensão (no

domínio da investigação científica, seus procedimentos e métodos) e

contextualização sócio-cultural (contexto do desenvolvimento científico e

tecnológico, hoje ou no passado).

Os PCN para o ensino médio ganharam uma complementação pedagógica

denominada “PCN+ - Ensino Médio - Orientações Educacionais Complementares

17

aos Parâmetros Curriculares Nacionais” (BRASIL, 2002), no qual além de descrições

mais detalhadas das competências gerais, exemplificadas por conteúdos das áreas

disciplinares, são apresentadas questões especificas de cada uma delas.

Em relação ao ensino de Física é apontada a necessidade de se saber fazer

escolhas dos conteúdos de física a ser ensinado na educação básica em virtude da

vastidão de possibilidades. Para isso a preocupação deve focalizar em “para que

ensinar física” e não “o que ensinar de física”. “Esse objetivo mais amplo requer,

sobretudo, que os jovens adquiram competências para lidar com as situações que

vivenciam ou que venham a vivenciar no futuro, muitas delas novas e inéditas.”

(BRASIL, 2002, p.5). Se o objetivo é habilitar os jovens para situações reais do dia a

dia, temas da física como crises de energia, problemas ambientais, manuais de

aparelhos, concepções de universo, exames médicos, notícias de jornal, e assim por

diante devem ser objetos de estudo dos estudantes.

O problema central é descobrir que competências em física devem ser

adquiridas pelo jovem para que o ensino de física venha realmente ter êxito.

Caberá sempre ao professor, dentro das condições específicas nas quais desenvolve seu trabalho, em função do perfil de sua escola e do projeto pedagógico em andamento, selecionar, priorizar, redefinir e organizar os objetivos em torno dos quais faz mais sentido trabalhar. (BRASIL, 2002, p.5)

Os PCN+ avançam ainda mais propondo uma estruturação dos conteúdos

educacionais a serem ensinados, diferentemente da estruturação dos conteúdos da

ciência, pois para certos fins há conteúdos mais importantes que outros, e em

função disso os conhecimentos científicos a serem ensinados devem ser

reconstruídos ou reorganizados, dando-lhes uma nova dimensão. Nessa proposição,

os temas de física que unem conhecimentos e competências passam a ser

chamados de temas estruturadores e para ordenar o ensino da física foram

selecionados seis temas: – 1) Movimentos: variações e conservações – 2) Calor,

Ambiente, Fontes e Usos de Energia – 3) Equipamentos Eletromagnéticos e

Telecomunicações – 4) Som, Imagem e Informação – 5) Matéria e Radiação – 6)

Universo Terra e Vida.

18

Esses temas apresentam uma das possíveis formas para a organização das atividades escolares, explicitando para os jovens os elementos de seu mundo vivencial que se deseja considerar. Não se trata, certamente, da única releitura e organização dos conteúdos da Física em termos dos objetivos desejados, mas serve, sobretudo, para exemplificar, de forma concreta, as possibilidades e os caminhos para o desenvolvimento das competências e habilidades já identificadas. (BRASIL, 2002, p.19)

Para cada um desses temas estruturadores são definidas as unidades

temáticas, cerca de 4 para cada uma, que correspondem aproximadamente aos

temas a serem desenvolvidos em cada bimestre do ano letivo. E, para cada unidade

temática são descritas as competências a serem desenvolvidas. Por exemplo, no

tema estruturador (2) Calor, Ambiente, Fontes e Usos de Energia, tema relacionado

com esse trabalho de mestrado, as unidades temáticas são: - Fontes e trocas de

calor; - Tecnologias que usam calor: motores e refrigeradores; - O calor na vida e no

ambiente e – Energia: produção para uso social (BRASIL, 2002, p.74).

Exemplos de competências a serem desenvolvidas na unidade temática

“Fontes e trocas de calor” revelam o contexto em que os conteúdos da física térmica

devem ser abordados:

1- - Identificar fenômenos, fontes e sistemas que envolvem calor para a escolha de materiais apropriados a diferentes situações ou para explicar a participação do calor nos processos naturais ou tecnológicos. 2- - Reconheceras propriedades térmicas dos materiais e os diferentes processos de troca de calor, identificando a importância da condução, convecção e irradiação em sistemas naturais e tecnológicos. (BRASIL, 2002, p.73).

De acordo com a LDB/1996 o ensino em de cada estado da união deve ser

elaborado pelas respectivas secretarias de educação, parametrizado pelos PCN de

caráter nacional. No Estado de Minas Gerais é elaborada a proposta curricular

identificada como CBC (Conteúdos Básicos Comuns) pelo fato de propor uma base

comum para as séries iniciais, focalizando os elementos da física considerados

essenciais na formação cultural e científica do cidadão dos dias atuais.

No ensino médio, os conteúdos básicos de física devem ser ensinados para

todos os alunos do 1º ano do Ensino Médio e a proposta curricular:

Ela contém também uma proposta de Conteúdos Complementares destinados ao aprofundamento e ampliação dos conteúdos propostos para o 1º ano. Os Conteúdos Complementares estão previstos para serem trabalhados no 2º ano, com os alunos que optarem pelas áreas de ciências

19

naturais. Entretanto, os alunos que optarem pelas outras áreas, poderão estudar um subconjunto desses Conteúdos Complementares. No 3º ano, a escola poderá decidir sobre os conteúdos a serem ensinados, podendo optar pela revisão de tópicos dos anos anteriores, aprofundamento ou ampliação dos mesmos. (MINAS GERAIS, 2007, p. 11)

Esta proposta curricular contida no CBC (Física) para os estabelecimentos

públicos de ensino médio de Minas Gerais propõe ênfase aos fenômenos físicos do

cotidiano, a tecnologia, aos conhecimentos criados pela Física contemporânea e a

estabelecer relações com outros conteúdos, na mesma direção dos PCN. Entretanto

as diretrizes norteadoras são de natureza diferente daquelas sugeridas nos PCN+,

constituídas de uma diferenciação entre competências e objetivos do ensino da

física. As diretrizes norteadoras do CBC para o ensino da física:

Desenvolvimento de Competências (Uma primeira diretriz seria pensar o currículo como espaço de desenvolvimento de competências cognitivas, competências práticas e competências sociais que todo cidadão deve ter. ....). Construção e Explicação de Fenômenos (Uma segunda diretriz seria levar o estudante a entender e apreciar a forma como a Física constrói descrições e explicações sobre fenômenos. .....) Uso de Artefatos Tecnológicos (O currículo deve propiciar ao estudante compreender algumas das tecnologias desenvolvidas a partir do conhecimento gerado pela Física. ...) Aproximação com as Coisas Cotidianas (A Física escolar deve se aproximar cada vez mais da Física do mundo real, das coisas do nosso cotidiano. ...) . Contextualização e Interdisciplinaridade (Alguns artefatos tecnológicos comuns não devem passar despercebidos nas salas de aulas. ... A contextualização e a interdisciplinaridade não se restringem ao tratamento simultâneo de um mesmo tema de estudo pela Física e por outras disciplinas, ou à inclusão do ponto de vista de outras disciplinas nos temas tradicionalmente estudados pela Física....) (MINAS GERAIS, 2007, p. 16,17)

A proposta curricular de Minas Gerais organiza os conteúdos educacionais

em VII Eixos Temáticos, sendo 3 para o CBC (1º. Ano) e 4 para os conteúdos

complementares (2º. e/ou 3º. Ano). São eles:

Conteúdo Básico Comum (CBC) – 1º. ano Eixo temático I – Energia na Terra; Eixo temático II – Transferência, Transformação e Conservação da Energia; Eixo temático III – Energia – Aplicações; Conteúdos Complementares de Física Eixo temático IV – Luz, som e calor

20

Eixo temático V – Força e movimento Eixo temático VI – Eletricidade e magnetismo Eixo temático VII – Física Moderna (MINAS GERAIS, 2007, p.7)

No interior dos Eixos Temáticos são definidos temas, que para o CBC são:

Tema -1: Energia e vida na Terra; Tema – 2: Conservação de energia; Tema -3:

Energia Térmica; Tema - 4: Energia Mecânica; Tema – 5: Calor e movimento; Tema

– 6: Energia Elétrica; Tema – 7: Calculando a energia Térmica; Tema – 8:

Calculando a energia elétrica.

Para cada um dos temas são definidos tópicos e habilidades e um

detalhamento das habilidades. Nos conteúdos relativos á física do calor um

exemplo de detalhamento das habilidades:

Tabela 1 - Tema 3: Energia Térmica

Tópicos/habilidades Detalhamento das habilidades

5. Transferência de calor por

condução

5.1. Aplicar o conceito de

energia e suas propriedades

para compreender situações

envolvendo corpos com

temperaturas diferentes que

estejam em contato.

5.1.1 – Saber que o calor é uma forma de energia que passa de um

corpo para outro devido à diferença de temperatura entre eles.

5.1.2 – Saber que, quando dois corpos, com diferentes temperaturas,

estão em contato, o corpo mais quente perde calor e o mais frio

recebe calor.

5.1.3 – Saber que, quando dois corpos trocam calor entre si eles

tendem a uma temperatura final comum chamada de temperatura de

equilíbrio térmico.

5.1.4 – Saber que a sensação térmica está ligada à taxa de

transferência de calor e, portanto, à condutividade térmica do material

ao qual o indivíduo está em contato.

É possível observar que as competências/habilidades definidas nos PCN+

são de compreensão dos sistemas tecnológicos no qual o calor é participante

fundamental e nas competências definidas nos CBC o calor envolvido é de definição

e caracterização de processos da física térmica, desconectado da realidade. Neste

último, o referencial está na ciência e no primeiro está no mundo do aluno,

mostrando visões diferentes sobre competências educacionais serem desenvolvidas

no ensino da física.

Vários estados elaboraram seu material pedagógico para que a sua proposta

curricular venha a ser bem sucedida e no Estado de Minas Gerais foi desenvolvido

21

um sistema de apoio ao professor que inclui cursos de capacitação de professores

e:

O Centro de Referência Virtual do Professor (CRV), o qual pode ser acessado a partir do sítio da Secretaria de Educação (http://www.educacao.mg.gov.br). No CRV encontra-se sempre a versão mais atualizada dos CBCs, orientações didáticas, sugestões de planejamento de aulas, roteiros de atividades e fórum de discussões, textos didáticos, experiências simuladas, vídeos educacionais, etc; além de um Banco de Itens. Por meio do CRV os professores de todas as escolas mineiras têm a possibilidade de ter acesso a recursos didáticos de qualidade para a organização do seu trabalho docente, o que possibilitará reduzir as grandes diferenças que existem entre as várias regiões do Estado. (Minas Gerais, 2007, p. 9)

Outro material de apoio do professor – o livro didático – também sofreu

impacto oriundo das novas diretrizes da reforma educacional (LBD/1996) através do

Programa Nacional do Livro Didático (PNLD) proposto pelo MEC com o objetivo de

analisar e avaliar os livros didáticos a serem distribuídos gratuitamente às escolas

públicas. No âmbito da disciplina Física, que passa a receber livros didáticos a partir

do PNLD de 2005, são poucos livros aprovados. No último PNLD/2012 que avaliou

os livros do ensino médio, 10 coleções foram aprovadas. Segundo MEGID (MEGID,

2011) nem todos os aprovados apresentam os elementos exigidos em edital do

PNLD/2012, definidos de forma compatível com os PCN, sendo apenas 2 os que

podem ser considerados como consistentes com a nova proposição para o ensino

de Física.

Segundo Lajolo a importância do livro didático “aumenta ainda mais em

países como Brasil, onde uma precaríssima situação educacional faz com que ele

acabe determinando conteúdos e condicionando estratégias de ensino, marcando,

pois, de forma decisiva, o que se ensina e como se ensina o que se ensina.” (In

MARTINS e HOSOUME, 2007), o que significa que o livro didático é na prática o

principal referencial curricular.

Embora cada estado da união tenha elaborado sua proposta curricular de

ensino, como previsto na LDB/1996, existe em nível nacional uma avaliação que

procura medir a aprendizagem no ensino médio – o ENEM (Exame Nacional do

Ensino Médio). Este exame procura avaliar as competências definidas nos PCN

articuladas com os conteúdos específicos de cada disciplina e atualmente ele

22

adquiriu um caráter seletivo de ingresso às universidades e também de certificação

do ensino médio da Educação de Jovens e Adultos (EJA).

Em síntese, o ensino de física no Brasil é norteado pelos PCN, PCN+, a

proposta curricular de cada estado, as propostas curriculares dos livros didáticos e

as avaliações nacional e/ou regional, como o PAAE2 do Estado de Minas Gerais,

que muitas vezes não são consistentes entre eles, levando muitas vezes o ensino de

física a um conjunto desconexo de soma de partes retiradas de cada uma destas

proposições.

2.2- Ensino de Física Térmica no contexto da pesquisa

A partir da publicação dos PCN (1999), dos PCN+ e das aplicações dos

exames do ENEM, dando uma nova definição e direção ao ensino médio, as

pesquisas em ensino das Ciências da Natureza ganharam uma nova dimensão,

aumentando de forma significativa o número de pesquisas sobre temas envolvendo

aspectos privilegiados na nova proposição.

Muitas pesquisas utilizam os PCN e/ou PCN+ como referência de critica do

ensino de física que se desenvolve em sala de aula, apontando que o ensino atual é

descontextualizado, centrado em poucas habilidades como resolução de problemas,

com apresentação de conteúdos científicos defasados de pelo menos 100 anos

(ROSA e ROSA, 2005), sendo necessário ir em direção às novas proposições que

apresentam problemas de relevância social, abordam novas tecnologias,

desenvolvem conteúdos científicos modernos e abarcam a dimensão epistemológica

da ciência. (PIETROCOLA, 2010; OLIVEIRA, VIANNA e GERBASI, 2007)

Outros trabalhos procuram identificar o nível de compreensão dos professores

em relação aos elementos das novas proposições como o significado de “tecnologia

como objeto de ensino”, detectando que ela (a tecnologia) é reduzida ao seu uso

instrumental, tornando-se mera motivação para alunos e não seu objeto de

discussão e/ou ensino (RICARDO, CUSTÓDIO e REZENDE JR, 2007). Na mesma

direção, nos livros didáticos de Física, material de referência do professor, o

significado de “contextualização do ensino” é apresentado como contextualização do

2 PAAE – Programa de Avaliação da Aprendizagem Escolar - avalia as turmas da 1ª série do ensino

médio onde os tópicos e habilidades são do CBC. Tem como principal objetivo identificar

necessidades imediatas de intervenção pedagógica.

23

conteúdo científico e não do ensino, em que os elementos tecnológicos, sociais e/ou

históricos são apresentados como leituras complementares e não como contexto

para o desenvolvimento do conhecimento científico. (REIS, 2009).

Nesse processo de adequação às novas propostas (PCNs, CBC, Novo

ENEM, etc) o ensino de física térmica também ganha nova compreensão em função

do tema bastante contemporâneo: fonte de energia e meio ambiente. A pesquisa de

AGUIAR JR e FILOCRE é um exemplo de trabalho interdisciplinar, com participação

de professores de física, química e biologia, na elaboração e aplicação de uma

proposta de ensino para a 8ª. série (atual 9º. ano do ensino fundamental),

abordando conteúdos da Física Térmica através do tema Regulação Térmica nos

Seres Vivos, resultado de várias razões, dentre elas: de um ponto de vista físico,

solicita tratamento de conceitos termodinâmicos, desde os mais elementares e

fundamentais - equilíbrio térmico, calor e temperatura - até seus princípios gerais -

conservação e degradação da energia. (AGUIAR JR, FILOCRE, 2002).

A pesquisa de SILVA, LABURÚ e NARDI indica que em muitos livros,

principalmente os de Química e de Física introdutória, são utilizadas expressões

infelizes, referindo-se, por exemplo, ao calor de um corpo como se o calor fosse uma

propriedade do corpo, pensado como um fluido contido nos corpos que, de alguma

maneira, poderia passar de um corpo para outro. (SILVA, LABURÚ e NARDI, 2008).

Já o trabalho de pesquisa de BALDOW e MONTEIRO JR (BALDOW e

MONTEIRO JR ,2010) destaca a importância da História da Ciência para a formação

do aluno, lembrando que a História da Ciência é uma das diretrizes dos PCNs, e

analisa distorções e omissões na história do desenvolvimento da Termodinâmica em

textos didáticos de cinco livros de física. Muitas foram as conclusões obtidas pelos

autores da pesquisa, dentre elas:

1- Ha algumas categorias que sequer foram citadas, não aparecendo em nenhum dos textos analisados, parecendo não serem relevantes como a relação entre o principio da equivalência de Mayer e o enunciado da 1a lei da termodinâmica realizado por Clausius e a ideia Kelvin sobre o refrigerador. 2- A teoria do calórico, apesar de ser lembrada nos livros, dificilmente e bem interpretada. Beatriz e Maximo (2006) afirmam que tal teoria explicava que quanto maior fosse a temperatura do corpo, mais calórico ele tinha no seu interior, constituindo-se numa interpretação equivocada desta teoria. Na verdade, tal teoria afirmava que quanto maior fosse a temperatura do corpo, maior seria a tensão exercida pelo fluido calórico no interior deste corpo (in: MEDEIROS, 2007). 3-Com respeito a segunda lei, ha algumas apresentações discordantes com a leitura histórica construída nesta pesquisa. No livro de Ramalho et al

24

(2004) refere-se a segunda lei, afirmando que “a transferência preferencial de calor do corpo quente para o corpo frio levou Clausius a enunciar a segunda lei”. Perceba que se constitui num equivoco histórico, na medida em que não ha evidencia de que Clausius acreditasse na preferência do calor e, consequentemente, não ha evidencia de que o enunciado de tal lei tenha sido influenciado por tal ideia. (BALDOW e MONTEIRO JR, 2010, p 13, 14.)

Pesquisas que desenvolvem propostas didáticas de conteúdos da física térmica são

raras, sendo mais presentes aquelas de natureza analítica exploratória que apontam

falhas, incorretezas conceituais em textos didáticos ou compreensões errôneas de

professores e alunos. Contudo, as mudanças propostas pelos PCN para melhorar o

ensino da física vem sendo um desafio para os professores que devem buscar

meios para que os novos horizontes apontados sejam atingidos mediante a

realidade escolar do Brasil contemporâneo. . Diante dessa tarefa, é importante que

os alunos e professores tenham materiais didáticos de boa qualidade para garantir o

desenvolvimento da aprendizagem e do ensino da física.

2.3 - Justificativa do Trabalho de Pesquisa

O governo federal empenha-se em melhorar o ensino médio implantando

políticas públicas que sejam eficientes para resolver os problemas desse nível de

ensino, talvez o mais complexo. Sendo assim o governo, organiza o ensino médio,

faz reformas no currículo, lança o ensino médio inovador, destaca o papel que a

educação deve ter numa sociedade cada dia mais envolvida com a tecnologia.

Enfim, o governo apresenta um conjunto de ações para melhorar o ensino médio.

Estamos vivendo um período de implantação de grandes mudanças na

educação, com o aumento do número de estudantes no curso superior, sendo que a

maioria faz a prova do ENEM, que é um sistema de avaliação usando das

habilidades e competências contida na nova proposta para a educação. A mudança

se faz necessária em virtude do atraso no ensino em relação aos países

desenvolvidos e no caso da física um ensino distante da realidade do aluno que está

envolvido com a tecnologia.

O ingresso dos alunos no ensino médio também tem aumentado. É um

desafio fazer com que permaneçam na escola e um desafio maior ainda capacitá-los

para as condições requeridas pela legislação que deve prepará-los para o exercício

da cidadania e necessidades da sociedade contemporânea.

25

Nas escolas do Estado de Minas Gerais está implantado o CBC, uma

proposta inovadora que enfrenta resistências nas escolas e esse fato nos remete à

da concepção “bancária” de educação de Paulo Freire. Cabe a cada profissional da

educação fazer sua parte: “Ninguém liberta ninguém, ninguém liberta sozinho: Os

homens se libertam em comunhão”. (FREIRE, P. 1983, p 29.)

Diante dessas providências para mudar o cenário da educação nacional a

minha proposta didática intitulada Ensino de Física Térmica a partir do estudo do

AF, pretende acrescentar ao professor de física, recursos para que seus alunos re-

signifiquem os conhecimentos presentes em sua vida cotidiana, desvelando a

tecnologia empregada no AF siderúrgico utilizando conceitos de Física Térmica e, ao

saber o que é produzido num AF e seu papel no cenário nacional, sejam capazes de

se posicionar e atuar de maneira cidadã.

26

3 - ENSINO DE FÍSICA E O ESTUDO DO ALTO-FORNO

Depois de assistir a vários vídeos na internet sobre siderúrgica e

principalmente uma animação em flash player (cd em anexo) de um alto-forno que

produz ferro-gusa, foi constatado que esse processo tecnológico envolve muita

física, principalmente a térmica. Então, definimos que a pesquisa seria o

desenvolvimento de uma proposta de ensino de física térmica no contexto da

compreensão do funcionamento de um alto-forno siderúrgico, o que foi me foi muito

agradável, pois aprenderia sobre siderurgia e a física nela presente. Também

considerei interessante o fato dos meus alunos aprenderem mais sobre a usina

siderúrgica, objeto tecnológico presente em seu dia-a-dia. Assim, a proposta didática

elaborada é destinada ao professor de física, sobretudo aquele que leciona numa

região em que uma usina siderúrgica tem papel relevante na vida da cidade.

Na elaboração da proposta, além dos referenciais teóricos anteriormente

mencionados como PCN, PCN+, CBC e artigos da área, a sua estruturação está

alicerçada nos três momentos pedagógicos: problematização inicial, organização do

conhecimento e aplicação do conhecimento de Delizoicov et al. (DELIZOICOV,

ANGOTTI e PERNAMBUCO; 2002, p. 200)

A proposta é composta de 9 atividades para serem desenvolvidas em sala de

aula, uma em cada aula, iniciando por um levantamento do conhecimento do aluno

sobre o papel e funcionamento de uma siderurgia, seguido de sete aulas que

exploram a fabricação do ferro-gusa a partir do minério de ferro, nos quais são

desenvolvidos os conteúdos de física térmica envolvidos e uma última, um

questionário focalizando a avaliação de todo o trabalho.

Cada uma das atividades foi aplicada em minhas turmas e pude contemplar,

sobretudo o sucesso da 4ª a 8ª atividade. De maneira geral os conteúdos de física

abordados parecem ter sido bem entendidos, tanto o conteúdo de física térmica

quanto o entendimento do funcionamento do alto-forno. Os alunos, na sua grande

maioria, participaram de forma ativa durante todo o período da aplicação.

Uma discussão detalhada da aplicação da primeira até a oitava atividade se

encontra no ANEXO C.

A proposta foi aplicada na Escola Estadual Cônego Luis Vieira da Silva (Ouro

Branco-MG) para as quatro turmas da 2ª série do ensino médio, do turno matutino.

Essa escola funciona em 3 turnos e atende aproximadamente 1100 alunos, em sua

27

maioria pessoas de baixa renda, inclusive uma parcela significativa da zona rural. A

atividade nº 1 foi aplicada no primeiro semestre de 2012 e participaram 97 alunos, a

última a nove, no final do ano envolveu 92. A atividade com número menor de

alunos foi a quatro com 81 alunos por ter sido realizada véspera de feriado na

cidade.

A seguir é apresentado o texto redigido para o professor, produto de meu

trabalho, com o titulo: Uma proposta de ensino de física térmica usando alto-

forno. Este texto pode ser extraído da dissertação sem perder a totalidade.

28

4. TEXTO PARA O PROFESSOR

UMA PROPOSTA DE ENSINO DE FÍSICA USANDO ALTO-FORNO

Prezado colega professor de física

Este texto é uma proposta de ensino dos principais conteúdos envolvidos no

ensino da Física Térmica, como os conceitos de temperatura, calor e energia

térmica; os processos de condução e propagação térmica, e mudança de estado

físico e é dirigida, sobretudo, para professores que atuam em regiões em que uma

usina siderúrgica tem significado no cotidiano de seus alunos.

O contexto para o desenvolvimento de conteúdos da física térmica é o estudo

de um alto-forno de uma siderúrgica: após a sensibilização em relação à este tema

são propostas atividades que, ao acompanhar o processo de obtenção de ferro-gusa

a partir do minério de ferro, são discutidos os conteúdos físicos presentes em cada

momento.

A proposta está estruturada em três momentos pedagógicos: problematização

inicial, organização do conhecimento e aplicação do conhecimento. No primeiro

momento os alunos são desafiados a expor o que entendem sobre alto-forno. A

meta é problematizar esses conhecimentos e espera-se do professor questionar

posicionamentos e fomentar a discussão das distintas respostas dadas pelos alunos

e lançar dúvidas do assunto, mais do que responder ou fornecer explicações.

Como diz DELIZOICOV et al.

Deseja-se aguçar explicações contraditórias e localizar as possíveis limitações e lacunas do conhecimento que vem sendo expresso, quando este é cotejado implicitamente pelo professor com o conhecimento científico que já foi selecionado para ser abordado. (Delizoicov et al, 2002, p. 201):

O ponto principal dessa problematização é fazer com que o aluno sinta a

necessidade de adquirir conhecimentos que ainda não possui acerca do alto-forno,

ou seja, a situação em questão passa a ser um problema que precisa ser

solucionado.

Sobre a Organização do Conhecimento, o segundo momento, escrevem os

mesmos autores:

Os conhecimentos selecionados como necessários para a compreensão dos temas e da problematização inicial são sistematicamente estudados

29

neste momento, sob a orientação do professor. As mais variadas atividades são então empregadas, de modo que o professor possa desenvolver a conceituação identificada como fundamental para uma compreensão científica das situações problematizadas. (DELIZOICOV et al. 2002, p. 201):

E por fim o último momento, a Aplicação do Conhecimento em que continua

com aplicações de atividades e usando dos conceitos da física térmica explica o

funcionamento do Alto-Forno e de equipamentos de suas imediações. Fazendo

neste momento a formulação de problemas.

A meta pretendida neste momento,

É muito mais a de capacitar os alunos para ao emprego dos conhecimentos, no intuito de formá-los para que articulem, constante e rotineiramente, a conceituação científica com situações reais, do que simplesmente encontrar uma solução, ao empregar algoritmos matemáticos que relacionam grandezas. (DELIZOICOV et al. 2002. p. 202)

Estes 3 momentos sustentam o desenvolvimento da prática pedagógica de

uma maneira global (o texto como um todo) e também o processo em que o alto-

forno vai sendo “desmontado” em partes.

A proposta didática é composta de 9 atividades a serem desenvolvidas em

sala de aula, uma em cada aula, iniciando por uma que faz um levantamento do

conhecimento do aluno sobre o papel e funcionamento de uma siderurgia, seguido

de sete propostas de aula que exploram a fabricação do ferro-gusa a partir do

minério de ferro, nos quais são desenvolvidos os conteúdos de física térmica e uma

última que trata de um questionário para os alunos responderem servindo para

avaliação de todo o trabalho.

No Quadro 1 é apresentado um esquema das atividades que compõem a

proposta didática.

30

Quadro 1 – Esquema de atividades da proposta didática

ATIVIDADE OBJETIVO INSTRUMENTO PEDAGÓGICO

1- A usina siderúrgica de nossa cidade.

Sensibilizar os estudantes para o papel de uma usina siderúrgica e efetuar a problematização inicial global.

Responder questionário. Desenhar um AF. Trabalho individual.

2 – Conferindo os conhecimentos

Ampliar o conhecimento do aluno sobre a importância regional e nacional da usina de sua cidade.

Conferir e discutir as respostas dos alunos ao questionário da atividade anterior. Trabalho coletivo: alunos + professor

3 – O que tem de diferente entre os esquemas?

Identificar as partes que compõem um alto- forno

Identificar as diferenças entre os desenhos dos alunos e um esquema de alto-forno. Trabalho em grupo.

4 - O que entra e sai de um AF?

Obter uma visão geral do funcionamento de um AF, identificando o material de entrada, seu caminho no interior do mesmo e caracterizando sua saída como ferro gusa.

Responder cinco questões utilizando como suporte a leitura de 2 textos sobre o tema. Trabalho em grupo.

5 - Temperaturas no interior do AF

Compreender a importância das diferentes temperaturas no interior do AF para o adequado funcionamento do mesmo. Relacionar o estado físico da matéria com sua temperatura. Avaliar temperatura pela cor de luz.

Responder questões utilizando como suporte a leitura de textos. Trabalho em grupo.

6 - As transformações do minério de ferro

Compreender como ocorrem as diferentes pressões e temperaturas no interior do AF. Relacionar valores de pressão e temperatura com as transformações que ocorrem no minério de ferro no processo de obtenção do ferro gusa. Conceituar fenômenos da convecção e mudança de estado físico da matéria.

Leitura de textos e respostas ás questões propostas. Discussão em grupo. E trabalho em grupo para casa.

7 - As paredes de um alto forno são especiais?

Compreender o uso de diferentes materiais em diferentes partes de um AF devido a altas temperaturas e grandes impactos em seu interior. Conceituar fenômeno da condução térmica.

Responder questões utilizando como suporte a leitura de textos. Trabalho em grupo.

8 - Refrigeração a água – que propriedade é essa da água?

Explicar a escolha da água para refrigeração do AF e, também, que para uma mesma mudança de temperatura se tem necessidade de diferentes quantidades de energia/calor para diferentes materiais. Conceituar calor específico.

Responder questões utilizando como suporte a leitura de textos. Trabalho em grupo.

9 - Avaliando o trabalho realizado com os alunos

Avaliar a proposta em relação à compreensão de um AF e a física nele envolvida.

Responder questionário. Desenhar um AF. Trabalho individual.

Também, para dar uma organicidade aos textos das atividades, eles estão

estruturados em itens que tratam da: apresentação da atividade, seus objetivos,

desenvolvimento da atividade e encaminhamento da discussão que se baseia nas

respostas dadas pelos alunos durante a aplicação da proposta em sala de aula.

31

4.1 - Atividade nº 1: A usina siderúrgica de nossa cidade

Nós professores, ficamos com nossos pensamentos voltados aos alunos, se

eles estão gostando de nossas aulas e se estão envolvidos harmoniosamente com

os conteúdos disciplinares. Sabemos que devemos partir do conhecimento do aluno

para alavancá-lo da sua base de conhecimento e trazê-lo para o ponto desejado das

ciências, no nosso caso a física.

Objetivo: sensibilizar os estudantes para o papel de uma usina siderúrgica e efetuar

a problematização inicial global.

Desenvolvimento da atividade:

A seguir, como sugestão, é apresentado um questionário para diagnosticar a

compreensão dos alunos concernente ao envolvimento do mesmo com o meio

siderúrgico (pode ser até envolvimento familiar) e também em termos de

conhecimentos culturais. Em função do tempo disponível e/ou das características

dos alunos, o levantamento pode ser realizado oralmente em sala de aula colocando

as respostas no quadro. Só a questão cinco deve ser feita pelo aluno em papel em

sala de aula.

Quadro 2 - Exemplo de questionário

Nome: ______________________________ Turma: _____________ 1) Na região onde você mora existe uma usina siderúrgica? Qual nome dessa usina? 2) Quantas pessoas de sua família trabalham nela? O que faz cada um? 3) Qual a importância de uma usina siderúrgica para a sua região? E, para o Brasil? 4) Você sabe o que faz uma usina? Faça um pequeno resumo do que ocorre no interior de uma usina. 5) Você conhece um alto-forno? Se sim, desenhe um esquema que mostra suas partes. Se não, como você imagina que funciona um alto-forno – faça um esquema de seu funcionamento. 6) Você já visitou esta usina? Em caso positivo, o que aprendeu nesta visita? Em caso negativo, você gostaria de conhecer? Por quê?

Fonte: O autor

Estas perguntas nortearão o desenvolvimento do trabalho fazendo com que

os alunos sintam a necessidade de buscar respostas e até mesmo outras perguntas

que surgirem relacionados com a siderurgia. A nossa sugestão é que o questionário

32

seja respondido pelo aluno individualmente, pois a autenticidade possibilitará melhor

trabalho de levantamento dos significados que a usina proporciona aos estudantes.

Encaminhamento da discussão

O objetivo dessa atividade é a aplicação do questionário em sala de aula.

O tipo de resposta que os alunos poderão dar pode até pode parecer

assustador, pelo desconhecimento da realidade de seu entorno. Entretanto, o

importante é a natureza das respostas, que deverá possibilitar o inicio do diálogo

pedagógico.

No questionário aplicado nessa pesquisa, os alunos quase na sua totalidade

identificaram a Gerdau Açominas como siderúrgica, embora cerca da metade

escrevesse errado o nome da mesma. Esse número de acerto poderá ser bem

menor se não existir usina siderúrgica na região em que se encontra a escola. Por

exemplo, um aluno de Belo Horizonte poderá ter dificuldades em saber que a

Mannesmann é uma Siderúrgica ou nem se lembrar dela. Certamente nomes que

não são de siderúrgicas podem surgir, como de alguma empreiteira grande, de

mineradora etc.

Também o nosso resultado mostra que a maioria dos alunos diz saber da

importância da siderúrgica para a região ou país e não sabem o que lá se produz,

revelando a falta de conhecimento dos alunos sobre siderúrgica. Pouquíssimos

deles fizeram visita, mas expressaram o desejo de fazê-lo para conhecer melhor e,

quem sabe, um dia poder trabalhar lá.

Sobre o esquema do funcionamento de um AF, surgiram desenhos das

formas mais variadas possíveis, como da figura 1 a seguir em que o aluno baseou

em fornos de barro dos que se usavam antigamente nas residências, principalmente

na zona rural ou em fornos de carvoaria.

33

Figura 1 – Desenho de aluno

Fonte: O autor

Outra situação, como exemplo a (fig. 2) em que o aluno mostra que ele já viu

um AF, pois ele quis desenhar uma correia transportadora alimentando o AF pelo

topo.

Figura 2 – Desenho de aluno

Fonte: O autor

Surgiram também figuras aparentemente sem significados como a (fig. 3),

mas que fazem parte do processo, compondo a imaginação do aluno.

34

Figura 3 – Desenho de aluno

Fonte: O autor

4.2 - Atividade nº 2 : Conferindo os conhecimentos

Embora as respostas sejam individuais, o seu conjunto pode dar uma visão

das percepções dos alunos sobre o tema em questão. Não será necessário dar

retorno ao aluno individualmente, mas existem conjuntos de respostas que devem

ser exploradas, após a aplicação do questionário, com o intuito de alcançar os

objetivos definidos e, ao mesmo tempo, servirem de respostas às questões

colocadas pelos alunos no processo de levantamento dos conhecimentos prévios

dos mesmos.

Objetivo: Identificar nominalmente a usina presente na cidade e conscientizar os

estudantes para o papel econômico e social da mesma.

Desenvolvimento da atividade:

Essa 2ª atividade trata de uma discussão das respostas dos alunos às

questões 1, 2, 3 e 4 do Questionário do Quadro 2. Essa atividade deve levar em

conta as respostas de cada classe. Todos os comentários sobre as respostas dos

alunos devem ser positivas – não devem ser apresentado ou comentado exemplos

que constrangem os alunos.

Apresentar para os alunos de uma turma, resultados ou exemplos de

respostas desta turma. Primeiro trabalhar com respostas diretamente ligados ao

35

aluno e depois pode/deve ampliar para os resultados de outras classes – para

mostrar se são semelhantes ou não.

Na 1ª questão, podem-se dizer quantos desta turma indicaram corretamente

as usinas que existem na região onde mora – ao comentar, dar a resposta correta.

Se a maioria estiver correta, reforçar dizendo que o conhecimento deles é bom! Ao

comentar as respostas à questão 2, (Quantas pessoas de sua família trabalham

nela? O que faz cada um?), poderá por exemplo dizer os tipos de trabalhadores que

participam desta usina e outros aspectos que considerar importantes. Na questão 3

e 4, da mesma forma mostrar de maneira geral o papel que os alunos acreditam

que a usina tem – tipos de respostas.

Nesta atividade é interessante desenvolver, depois dessa discussão das

respostas, uma atividade de leitura de textos sobre a Usina – sua história e seu

papel econômico e social. O professor pode procurar um texto desta natureza, ou

compor com fragmentos de várias fontes, ou ele mesmo pode escrever. Este texto

deve dar uma melhor compreensão do papel desta Usina. Pode ser uma atividade

de leitura compartilhada, na qual cada aluno lê um pedaço em voz alta e o professor

vai comentando, chamando atenção para os pontos importantes, explicando o que

achar necessário.

Uma sugestão é o Texto 2.1 que se encontra no final desta atividade. O Texto

2.2 também no final foi usado por mim e pode lhe servir de referência.

Encaminhamento da discussão

Essa atividade pode originar uma aula interessante, despertando a atenção

dos alunos, pois através da questão 2 podem ser apresentadas algumas profissões

exercidas dentro da siderúrgica. Por exemplo, em minha aplicação, quando citei a

presença de professor de educação física ou de advogado, pude perceber que o fato

era novidade para os alunos. Também vários outros profissionais serão lembrados

pelos alunos. Essa identificação, da diversidade e da função dos profissionais

participantes de uma siderúrgica, aumenta a compreensão da complexidade de uma

empresa dessa natureza e pode delinear as profissões que futuramente os alunos

poderão exercer.

As questões 3 e 4 podem apresentar respostas mais dispersas, como aquelas

encontradas em nossa pesquisa, em que o aluno diz que trabalhar na Siderúrgica

36

Gerdau Açominas não está sendo vantajoso hoje em dia, pois comenta-se na cidade

que outras empresas da região estão remunerando melhor seus funcionários e com

menos excessos de cobrança. Dando continuidade, o professor poderá apresentar

os benefícios que a empresa deve ou pode oferecer ao funcionário como plano de

saúde, seguro de vida, incentivo a estudos etc, além de o funcionário adquirir

experiência.

Uma sugestão para o desenvolvimento dessa atividade é a leitura de textos

que abordam o papel das siderúrgicas no contexto brasileiro ou internacional. Como

exemplos de textos são apresentados os dois utilizados em nossa pesquisa: “A

indústria do aço no Brasil - Aspectos Econômicos e Sociais” e “Açominas”. As fontes

dos dois textos estão indicadas no início dos mesmos.

É interessante a leitura compartilhada, em que cada aluno lê um trecho em

voz alta e o professor vai estabelecendo um diálogo com a classe, em termos de

explicação do que está sendo lido e/ou ampliando o tema em questão. Um detalhe

muito importante nessa atividade é ser objetivo, para não ultrapassar o tempo de

uma aula, pois se descuidar ele não será suficiente.

___________________________________________________________________

Texto 2.1

A indústria do aço no Brasil - Aspectos Econômicos e Sociais

Fonte: http://www.acobrasil.org.br/site/portugues/index.asp.

Caracterização Econômica

A indústria brasileira do aço ocupa posição estratégica na estrutura produtiva

do país. De acordo com estudo desenvolvido pela Fundação Getúlio Vargas em

2011 sobre a importância estratégica do aço na economia brasileira, o valor de

produção do segmento corresponde a 4,8% do total da economia, gerando um

impacto no PIB nacional de 4,0%.

As empresas associadas ao Instituto Aço Brasil foram responsáveis pela

geração de 109 mil ocupações durante o ano de 2011 (efetivo próprio e de

terceiros). A indústria de aço nacional dispõe de tecnologias avançadas de produção

e beneficiamento, com potencial para produzir os mais diversos produtos

siderúrgicos e capacidade instalada bastante superior à demanda do mercado

interno.

37

A produção de aço bruto em 2011 foi 7,0% superior a 2010. Esta produção

situa o Brasil como 9º maior produtor mundial.

Principais aspectos sociais

Perfil dos colaboradores

Gênero: A força de trabalho do setor é majoritariamente masculina. As mulheres

representam 7% do total de empregados das empresas associadas.

A expressiva participação majoritária de homens na força de trabalho do setor

siderúrgico tem, historicamente, como justificativa as características das funções

industriais, de periculosidade e esforço físico, fatos que vêm sendo gradualmente

alterados devido à crescente automação dos processos e ao ingresso das mulheres

em áreas de atuação antes totalmente dominadas pelos homens. Efetivo próprio

por gênero (2011)

Faixa etária: Predominam os colaboradores entre 21 e 40 anos, que representam

64% do efetivo próprio.

Escolaridade: A maior parte dos empregados do setor completou o ensino médio.

Eles representam 69% do efetivo próprio. Outros 20% dos empregados

possuem graduação em nível superior, percentual que se manteve estável nos três

últimos anos.1. Efetivo próprio por tempo de empresa (2011)

Recrutamento na comunidade local: Grandes empreendimentos, novos ou

projetos de expansão de empreendimentos existentes, geram grande expectativa de

desenvolvimento econômico na região em que se instalam, com aumento do nível

de renda da população, desenvolvimento do comércio e da infra estrutura, além de

outros benefícios para a localidade. Associados aos impactos inerentes a grande

parte das atividades econômicas, um dos reflexos mais esperados da operação de

atividades como a siderurgia é a grande geração de empregos diretos e indiretos na

região onde as usinas se instalam.

Treinamento e desenvolvimento: Todas as empresas do setor mantêm programas

estruturados de capacitação e treinamento de seus empregados.

38

Esses programas abrangem aspectos técnicos, comportamentais e

gerenciais, e acompanham iniciativas de apoio à educação formal (financiamento de

cursos de graduação, pós- graduação e MBA) dos colaboradores.

Todas as empresas associadas mantêm também programas de avaliação de

desempenho e desenvolvimento de carreira de seus empregados.

Em 2011, o investimento em educação, treinamento e desenvolvimento das

empresas associadas foi de aproximadamente R$ 60,5 milhões, valor 2,5% maior

que no ano anterior.

Remuneração e benefícios: A folha de pagamento das empresas do setor em

2011, foi cerca de 20% superior ao ano anterior.

No geral, a média do menor salário praticado, em 2011, pelas empresas

associadas foi de R$ 915,24, valor cerca de 70% superior ao salário mínimo

nacional no período.

Esse valor inclui gastos com alimentação, previdência privada, saúde,

subsídio à educação, cultura, participação nos lucros e resultados e outros, como

moradia, creche e auxílio-creche, recreação e lazer.

Entre os benefícios voluntários oferecidos por todas as empresas associadas

aos seus empregados estão o seguro de vida e o plano de saúde. Outros benefícios

oferecidos pelas empresas são: auxílio na compra de medicamentos, cesta básica,

previdência privada, auxílio para creches e a possibilidade de aquisição de ações.

Ben

Saúde e segurança: O processo siderúrgico compreende atividades que podem

envolver algum nível de periculosidade. As empresas do setor mantêm comitês

formais de saúde e segurança que auxiliam na implementação e monitoramento de

programas de segurança ocupacional que abrangem 100% dos colaboradores do

setor.

Esses comitês auxiliam na prevenção de acidentes e são os responsáveis por

treinar os colaboradores nos procedimentos adequados de segurança.

Além do contato direto com as áreas, os comitês utilizam de estatística para

melhor direcionar seus trabalhos. Para isso, todas as empresas mantêm

procedimentos específicos para registro e notificação de acidentes. Essas

notificações envolvem o levantamento das causas da ocorrência e levam ao

desenvolvimento de medidas preventivas para evitar que o acidente se repita.

39

Todos os grupos mantêm programas de aconselhamento e controle de riscos

relacionados a doenças graves, sendo que algumas empresas estendem esses

projetos a terceiros, familiares e comunidade. Os programas variam de empresa

para empresa, incluindo atividades como aconselhamento nutricional, prática de

atividades físicas, orientação relacionada a problemas posturais, doenças

sexualmente transmissíveis, dependência química, planejamento familiar e

orientação às gestantes.

__________________________________________________________________

Texto 2.2 –

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7ominas.

Açominas

Tipo: Siderurgia

Fundação: 12 de setembro de 1963

Sede: Porto Alegre – RS

Locais: Ouro Branco – Congonhas

Proprietário: Gerdau S.A.

Presidente: André Gerdau Johannpeter

Industria: Aço

A Gerdau Açominas é uma das mais importantes siderúrgicas do Brasil,

iniciou sua operação em 1986. Sua usina “Presidente Artur Bernardes”, localizada

nos municípios de Ouro Branco e Congonhas, na região do Alto Paraopeba, em

Minas Gerais.

É a maior unidade siderúrgica da Gerdau. Seu mix de produtos é formado por

tarugos, placas, blocos, perfis estruturais laminados de abas paralelas, fio-máquina,

além de produtos carboquímicos. A unidade exporta em torno de 70% de sua

produção para mais de 40 países, consagrando-se como uma das maiores

exportadoras de aço do Estado de Minas Gerais e do País.

40

História

1924 – O presidente da república Arthur Bernardes assina decreto que

autoriza a criação de uma siderúrgica no Vale do Paraopeba. A autorização

foi renovada em 12/09/1963.

1976 – É definida a localização da usina. O presidente da república Ernesto

Geisel crava a estaca inicial simbólica da usina, no alto da serra de Ouro

Branco. O governador Aureliano Chaves assina o decreto declarando de

utilidade pública e interesse social a área onde será implantada a usina. É

assinado em Londres, pelo presidente da república, Ernesto Geisel, um

memorando de entendimentos com um grupo europeu, assegurando recursos

externos para a implantação da usina. Começam a chegar as primeiras

máquinas para início das obras de terraplanagem.

1977 – Iniciam-se as obras de engenharia civil do alto-forno.

1978 – Marca a chegada dos primeiro equipamentos à usina, vindos da

Inglaterra. As obras de montagem começaram em junho. No pico das obras,

22.000 homens trabalharam no local.

1986 – O presidente da República José Sarney inaugura a Usina Presidente

Arthur Bernardes, em Ouro Branco.

1991 – É lançado o plano de privatização das siderúrgicas estatais.

1993 – Açominas é privatizada. O leilão é vencido pelo consórcio formado

pela CEA, Grupo Mendes Júnior, Banco Econômico, BCN, BEMGE/Credireal,

CVRD e Aços Villares. Primeiro acordo de acionistas garante o controle

acionário da empresa para o Grupo Mendes Júnior e o CEA.

1995 – Saída do Grupo Mendes Júnior.

1997 – O grupo Gerdau e a Natsteel passam a participar da sociedade.

2002 – O grupo Gerdau compra ações da Natsteel e assume posição

majoritária no controle acionário da Açominas.

2003 – A Açominas e o grupo Gerdau anunciam a integração de seus ativos

financeiros, criando a Gerdau Açominas S/A.

2004 – Começam estudos para duplicação da Usina, que prevê investimentos

totais da ordem de US$ 1,2 bilhão.

2006 – A empresa inicia no seguimento de mineração, com as Minas Miguel

Burnier e Varzea do Lopes (Ferro) e Mina Dom Bosco (Manganês), todas as

41

minas minas ficam num entorno de 100KM da usina, e anteriormente eram de

propriedade do Grupo Votorantim.

2007 – a Gerdau compra o restante das ações em poder do CEA. É iniciada a

produção do Alto-forno II, e juntamente com a Sinterização II, Coqueria II,

Lingotamento contínuo de blocos.

___________________________________________________________________

4.3 - Atividade nº 3: O que tem de diferente entre os esquemas?

Sabemos é mais fácil aprender pelas diferenças do que pelas semelhanças e,

baseado nesse fato, esta atividade explora a observação das diferenças e

semelhanças entre os desenhos dos alunos e um esquema de um AF. Nessa

confrontação das diferenças e semelhanças os estudantes ludicamente vão

tomando conhecimento das partes que compõem um AF.

Objetivo: Direcionar os estudantes para as partes que compõem o alto forno,

fomentando discussão entre o desenho do aluno e um esquema de um AF e

problematizar conhecimentos sobre um AF.

Desenvolvimento da atividade:

A sugestão é dividir a turma em grupos de 3 a 5 alunos para haver

questionamento entre eles. Cada grupo deverá receber uma figura de AF desenhado

por um aluno, não pertencente ao grupo, e as cinco figuras a seguir (fig. 4, 5, 6, 7 e

8). E os grupos devem identificar as diferenças entre o desenho do aluno e as

figuras de AF.

42

Figura 4 – Vista parcial de Alto-Forno

Fonte: FONSECA, 2009,

Disponível em: http://juliana-fonseca.blogspot.com.br/2009/06/alto-forno.html.

Figura 5 – Vista de Alto-Forno

Fonte: FONSECA, 2009,

Disponível em: http://juliana-fonseca.blogspot.com.br/2009/06/alto-forno.html.

43

Figura 6 – Vista de Alto-Forno internamente

Fonte: RIZZO, 2009, p.35

Figura 7 – Esquema de operação de Alto Forno

Fonte: MSPC - Informações Técnicas. Ferros & aços I-10. <http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco110.shtml>. Acessado em junho 2012

44

Figura 8 – Partes de Alto-Forno

Fonte: RIZZO, 2009, p.196

Encaminhamento da discussão:

Um ponto crucial nesta atividade é a escolha das figuras de AF. O professor

poderá utilizar outras figuras, sendo importante escolher aquelas que mostram o AF

internamente e externamente. Que sejam figuras coloridas que denotam partes mais

quentes ou frias pela cor. Se possivel, escolher figuras com identificação de partes

ou processos que auxiliem o entendimento dos alunos.

Em nossa experiência os alunos não sentiram motivados pela dificuldade em

identificar diferenças e semelhanças entre as figuras de AF desenhada pelo aluno e

os esquemas de AF. Foi preciso o auxilio do professor para compreender o

significado de diferença e de semelhança entre as duas diferentes representações.

Embora dificil, essa atividade deve ser desenvolvida, pois as próximas

atividades dependem dessas respostas dos alunos.

4.4 - Atividade nº 4: O que entra e sai de um alto forno?

Nesta atividade se inicia o estudo do funcionamento do AF, começando por

uma visualização global do mesmo, focando principalmente as partes do AF e não

os processos internos. Partindo da localização do lugar em que é despejado o

material a ser transformado e do local em que o ferro gusa escorre ao passar pelos

45

processos realizados no interior do AF, identificam-se apenas os caminhos e os

estados físicos da matéria de entrada.

A maioria dos estudantes sabe que entra minério e sai aço, entretanto as

características de outros componentes da carga de entrada e também a

diferenciação entre ferro e aço são desconhecidos. Assim, nesta atividade identifica-

se a composição da carga de entrada e o tipo de ferro obtido na saída do AF.

Objetivo: Obter uma visão geral do funcionamento de um AF, identificando o

material de entrada, seu caminho no interior do mesmo e caracterizando sua saída

como ferro-gusa.

Desenvolvimento da atividade:

Para desenvolver esta atividade devem ser escolhidos desenhos de alunos e

comentários de colegas que fazem referências ao local de entrada do material de

carga e/ou de saída do mesmo. Os dois quadros (Quadro 3 e Quadro 4) são

exemplos de desenhos dos alunos com o “comentário do grupo” que analisou o

respectivo desenho.

Quadro 3 – Comentário sobre diferenças de temperatura

Comentário do Grupo: Podemos perceber no esquema que as

diferenças de temperatura estão bem representadas e quanto o

do aluno não, o esquema está mais detalhado, o aluno está mais

simples e menos representativo.

Fonte: O autor

46

Quadro 4 – Comentário sobre desenho de aluno

Comentário do grupo: Onde é o alimentador o aluno desenhou uma

saída de fumaça. O aluno também representou um tipo de saída do

material que se encontra no AF que não foi colocado no lugar certo,

mas da pra ver que ele tem uma noção do que é um AF.

Fonte: O autor

Sugestão de desenvolvimento da atividade:

I- Formar grupos de 3 ou 4 alunos. Distribuir cópias do material semelhante aos dos

quadros 3 e 4 para cada grupo e solicitar que os leiam os comentários dos grupos.

II- Projetar o esquema da Figura 7, da atividade anterior (figura analisada pelos

grupos para elaborar os comentários).

Figura 9 – Esquema de Alto-Forno

Fonte: MSPC - Informações Técnicas. Ferros & aços I-10. <http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco110.shtml>. Acessado em junho 2012

47

III- Solicitar para que os grupos respondam:

Q1- O minério é colocado por cima mesmo? Por quê?

Q2- De onde sai este material? Por quê?

IV- A seguir, propor a leitura dos Textos 4.1 e 4.2, que se encontram no final dessa

atividade. Pedir para que respondam as questões:

Q3 - Veja que o AF é alimentado por uma mistura de minério de ferro+coque +

calcário. Que material é cada um deles? Qual a necessidade desta composição?

Q4- Veja que do AF saem o ferro-gusa e escória. Que material é cada um deles?

Q5- Que outras substâncias são produzidas no interior do AF? O que acontecem

com elas?

Encaminhando a discussão:

A aplicação em sala de aula mostrou que as questões 1 e 2 não apresentam

dificuldades. Os grupos facilmente concordarão que o minério entra pelo topo e que

o ferro-gusa sai pela parte de baixo do AF e que há aumento na temperatura ao ir

descendo o AF.

As questões 3 e 4 podem apresentar dificuldades pela falta de compreensão

dos textos que tratam da composição do minério de ferro e do ferro-gusa. A maior

dificuldade pode ser encontrada na compreensão da necessidade da composição:

minério de ferro + coque + calcário no processo de fabricação do ferro-gusa. Para

que o encaminhamento da aula não seja insatisfatório, será necessário cuidado

maior na leitura do Texto 4.1, chamando a atenção para esta composição de

materiais.

A leitura do Texto 5, não deverá apresentar dificuldades de entendimento por

ser de caráter mais informativo.

_________________________________________________________________

Texto 4.1

Materiais da carga do Alto-Forno

Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado

48

A matéria prima do ferro-gusa entra pelo topo na temperatura ambiente. Os

componentes (dos Altos-Fornos da Gerdau Açominas) são:

Matéria prima - Minério de ferro - 87% de sinter e 13% de granulado (veja

figura 9 a seguir);

Combustível/redutor sólido - coque e finos de carvão3;

Fundentes - cal, calcário, quartzo ou quartzito, dolomita, dunito, serpentinito.

Figura 10 - Exemplos das matérias primas ferrosas. Minério de ferro granulado

(in natura) e sinter.

Fonte: RIZZO, 2009, p. 84

Definições de alguns termos usados em mineração e geologia

(E.M.S.Rizzo,p. 67- 68)

Minério - é toda rocha constituída de um mineral ou agregado de minerais contendo

um ou mais minerais valiosos, possíveis de serem aproveitados economicamente.

Agregado de mineral-minério e ganga que, no estado atual da técnica, pode ser

utilizado para extração econômica de um ou mais metais.

3 A técnica de injeção finos de carvão (carvão pulverizado) pelas ventaneiras é um dos processos

mais utilizados para a redução do consumo de coque. Com isso, a produção de ferro-gusa torna-se

mais econômica.

49

Mineração - conjunto de procedimentos para descobrir, estudar, avaliar e extrair as

substâncias minerais úteis existentes na superfície ou no interior da terra. Abrange

quatro fases: prospecção, exploração, desenvolvimento e lavra ou explotação.

Ganga – denominação utilizada para o mineral ou conjunto de minerais não

aproveitados de um minério por não apresentarem valor econômico ou com pequeno

valor, nas condições atuais de mercado e/ou tecnologia.

Lavra - conjunto de operações necessárias à extração industrial das substâncias

minerais ou fósseis de uma jazida;

Rocha - material natural consolidado da crosta terrestre, formado essencialmente de

minerais;

Mina - Jazida em lavra, ainda que suspensa e/ou paralisada; correspondente ao

conjunto constituído pela jazida e instalações necessárias à produção de minério ou

seus concentrados.

O minério de ferro

Os minérios de ferro são rochas como a hematita, magnetita, siderita entre

outras com grande teor de ferro.

A utilização do minério de ferro é feita normalmente de duas formas: minérios

granulados (veja figura a seguir) e minérios aglomerados. Os granulados são

lançados diretamente nos Altos-Fornos de redução4, enquanto os aglomerados são

minérios finos (granulometria pequena) que precisam sofrer o processo da

aglomeração. Os principais processos de aglomeração são a sinterização para

obtenção do sinter (veja figura a seguir) e a pelotização para obtenção de pelotas.

Nos Altos-Fornos da Gerdau Açominas não se usa minério de ferro na forma de

pelotas.

São feitos testes de resistência ao sinter e ao granulado para suportarem ao

manuseio e transporte, até mesmo referente ao movimento dentro do AF.

Dentro do AF o minério pode sofrer o fenômeno da crepitação que consiste

nele não suportar ao choque térmico e sofrer fragmentação.

4 Redução é a reação química de retirada do oxigênio do óxido de ferro. As reações de Redução dos

Oxidos de Ferro podem ser resumidas assim: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3CO2

50

As medidas granulométricas do minério devem ser mantidas para uma boa

movimentação dos gases dentro do AF e não comprometer a produção do ferro-

gusa.

O coque

É o carvão mineral metalúrgico que sofre transformação para ser usado no AF

(Fig.4.2). Nem todos os carvões minerais transformam-se em coque.

Os elementos presentes no coque: carbono fixo = 88%, voláteis = 0,8%, cinzas =

10%, enxofre = 0,7% e umidade = 2,0%. O enxofre é o que mais merece atenção, na

medida em que é altamente prejudicial às qualidades do aço.

Algumas atuações do coque.

Como combustível - quando acontece a combustão do coque há grande liberação

de calor que funde e aquece os materiais.

Como redutor - o CO obtido serve par retirar o oxigênio do sinter e do material

granulado.

Como agente estrutural e permeabilizador - o coque é sólido e permeável a

temperatura superior a 2000 ºC, e forma uma base de sustento da carga e facilita na

boa ascendência dos gases e descida do ferro e escória líquidos para baixo.

Por ter baixa densidade o coque ocupa o maior volume no AF e apresenta um

poder calorífico de 7009,20 cal/kg.

O ato de fazer o beneficiamento no carvão mineral transformando em coque

chama-se coqueificação e que o torna adequado par o uso no AF.

51

Figura 11 - Coque com granulometria adequada (a), e com excesso de finos (b).

Fonte: RIZZO, 2009, p.120

Fundente

É a substância que auxilia no processo de fusão dos metais.

Cal

É um fundente que adicionado ao AF evita a formação da ganga no ferro-

gusa. As gangas contem impurezas como a sílica (ponto de fusão 1710 ºC) e

alumina (ponto de fusão 2030 ºC). Quando forma ganga no gusa aumenta sua

viscosidade e dificulta sua saída do forno. E quando se adiciona cal (fundente) o

novo composto formado apresenta menor ponto de fusão, acarretando liberdade de

saída.

Calcário

São rochas constituídas essencialmente de carbonato de cálcio (CaCO3) e

matéria prima principal da cal.

É substância adicionada ao AF com o propósito de retirar as impurezas

existentes no metal (por exemplo, óxidos) e de tornar a escória mais fluida.

_____________________________________________________________________________________________

52

Texto 4.2

Substâncias produzidas no Alto-Forno

Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado

Ferro-Gusa

É o ferro que é obtido diretamente do AF, é considerado como uma liga de

ferro e carbono, contendo de 2,11 a 5,00 % de carbono e outros elementos ditos

residuais, como silício, manganês, fósforo e enxofre.

É a principal substância produzida no Alto-Forno. É transportado para Aciaria

(local da siderúrgica onde existem máquinas e equipamentos que transformam o

ferro-gusa em diferentes tipos de aço) no estado líquido para fabricação do aço.

O ferro-gusa líquido e a escória obtida no AF são recolhidos, e por diferença

de densidades são separados no canal de material refratário, indo o gusa para os

carros torpedo seguidamente para a aciaria e a escória para o poço ou granulador

de escória.

Os carros torpedo têm forma cilíndrica de extremos de tronco de cone e são

basculáveis. Seu interior é de material refratário tendo a capacidade de manter o

gusa líquido em tempos superiores a 30h. Conforme a sua geometria perde pouco

calor para o ambiente e cada carro torpedo transporta 500 toneladas de ferro-gusa

líquido.

E nesse transporte do ferro-gusa líquido, é dado um superaquecimento no

gusa estando ele ainda no cadinho para que ele não venha a solidificar no carro

torpedo.

Gás de Alto-Forno

O volume de gás gerado no AF é muito grande e eles não são jogados na

atmosfera para não poluir o ar. São limpos para depois serem usados. Nesse

processo de limpeza coleta-se pó e lama que são usados posteriormente. Ao serem

limpos reduz-se a porção de partículas do gás para se enquadrar a legislação

ambiental da região.

53

Pó de Alto-Forno

O gás de AF é volumoso e contém muitas partículas sólidas.

Um dos processos de purificação é a sedimentação a seco, onde a

substância mais densa fica no fundo do balão gravimétrico (primeiro instrumento de

limpeza dos gases que saem do AF). No material retido 25 a 40% é Fe, 40 a 45% C,

5 a 7% de SiO2 e de 2 a 4% de CaO. Mas essa porcentagem varia de acordo com a

substância empregada no AF.

A quantidade de pó produzido num AF a coque ( em vez de carvão vegetal) é

de 6 a 17 kg/t de ferro-gusa produzido.

Depois que o gás de AF sofreu o primeiro processo de limpeza - a

sedimentação a seco, acontecerá a lavagem dos gases, nos venturis (outro

instrumento de Limpeza dos gases que saem do AF), formando a lama de AF.

Estudos afirmam que de 30 a 50% das partículas do GAF deposita na lama.

Num AF a coque (em vez de carvão vegetal) forma de lama 3 a 5 kg/t de

ferro-gusa obtido.

O pó de AF é usado na sinterização e também vendido para fábricas de

cimento.

A lama também pode ser vendida para fábrica de cimento, para fábricas de

tijolos e telhas, pois devido a alta concentração de carbono favorece uma menor

quantidade de calor no cozimento das telhas ou tijolos, proporcionando economia de

combustível.

Escória de Alto-Forno

A quantidade de escória e sua composição química dependem diretamente

da matéria prima usada no AF.

Para AF a coque a massa de escória é normalmente de 250 kg/t de ferro-

gusa e de 100 a 220 kg/t de ferro-gusa para AF a carvão vegetal.

O principal produto do AF é o ferro-gusa. A escória de AF, o pó de AF e o

GAF são considerados co produtos ou resíduos.

Há o interesse muito grande das usinas siderúrgicas em reciclar os resíduos e

isto é motivado pelo crescente número de ambientalistas. O processo de

armazenamento em alguns casos dispensa altos recursos financeiros.

54

Também a ISO 14 000 estimula a reciclagem desses resíduos oriundo do AF.

__________________________________________________________________

4.5 - Atividade nº5 : Temperaturas no interior do alto-forno

Nesta atividade o foco será o interior do AF, em particular a questão das

diferentes temperaturas, tanto em relação aos seus valores, quanto às relações

entre temperatura e cor. O aspecto a ser ressaltado nos valores da temperatura no

interior de um AF é o estabelecimento das temperaturas para que todo o sistema

funcione de forma adequada. O estudo da relação entre cor e temperatura,

raramente explorada no ensino básico, é uma importante ferramenta para avaliação

de temperaturas em nosso cotidiano.

Objetivos: compreender a importância das diferentes temperaturas no interior do AF

para o adequado funcionamento do mesmo, relacionando o estado físico da matéria

com sua temperatura. Desenvolver a capacidade de avaliar temperatura pela cor de

luz observada.

Desenvolvimento da atividade:

A proposta de desenvolvimento é semelhante à atividade anterior, utilizando

como ponto de partida os desenhos dos alunos e comentários dos grupos; produtos

da primeira e terceira aula respectivamente. Escolher 2 ou 3 exemplares que fazem

referências ao interior do AF, em particular aos diferentes valores de temperatura e

cores de luz. Os quadros seguintes (Quadro 5 e Quadro 6) são exemplos que

indicam a natureza dos desenhos que propiciam o desenvolvimento proposto.

55

Quadro 5 – Comentário sobre o desenho da entrada de gusa

Comentário do grupo: No desenho do aluno ele explica o processo com suas palavras mostrando a entrada de gusa até a formação do aço de um modo simplificado, sem mínimos detalhes. Já o desenho do verdadeiro AF; mostra as diversas formas do AF, demonstra a transportação do minério de ferro até o alimentador e logo depois há uma injeção de ar que a medida que o ferro vai caindo a temperatura vai aumentando e no final ocorre a separação do ferro-gusa e da escória.

Fonte: O autor

Quadro 6 – Comentário sobre gases do AF

Comentário do grupo: No desenho do aluno a representação de fogo só tem uma temperatura, mas no AF de verdade as cores indicam variação na quantia de calor. No AF os gases do processo são liberados através de uma tubulação e no desenho do aluno eles vão direto para a atmosfera. No desenho do aluno o AF é uma estrutura simples enquanto que na verdade ele é muito complexo.

Fonte: O autor

56

Sugestão de encaminhamento da atividade:

I- Formar grupos de cerca de 4 alunos.

II- Distribuir cópia do material que tem elementos do Quadro 5, selecionado pelo

professor, para cada grupo e iniciar pela leitura do comentário do grupo ( material

obtido da atividade 3).

III - Solicitar para que cada grupo analise o comentário do grupo sobre o desenho e

faça comentários. Para exemplificar, a correção do grupo sobre o desenho do

Quadro 5 permite focar a presença de um alimentador, a injeção de ar, o aumento

de temperatura em níveis mais baixo do AF e a separação em escória e ferro-gusa.

III – Solicitar a leitura do texto 5.1e respostas às questões que seguem.

Q2- É correto afirmar que à medida que o minério vai caindo a sua temperatura vai

aumentando? Explique porque ocorre esta variação de temperatura.

Q3- Em qual zona se dá essa injeção de ar? Onde ela se situa no AF? Qual a

necessidade do ar injetado?

Q4- Calcule a velocidade do ar que é injetado pela ventaneira em km/h. E, a pressão

em atmosfera e depois em metros de coluna de água.

IV- Distribuir cópia de material (desenho do aluno + comentários) que tem elementos

sobre as cores no interior do AF, como exemplificado no Quadro 6. Solicitar que

leiam e analisem os comentários do grupo sobre o desenho. Na discussão abordam

a questão da cor e temperatura.

V- Solicitar a leitura do Texto 5.2 e respostas às questões:

Q5- É correto afirmar que diferentes as cores no interior de AF indicam diferentes

temperaturas?

Q6– Utilizando lápis de cor, pinte o interior de um AF com as cores correspondentes

às temperaturas de cada região.

57

Figura 12 – Esquema de Alto-Forno para o aluno colorir

Fonte: O autor

Q7- Compare as cores de sua figura com as da Figura 12: são semelhantes?

Comente.

Q8- Faça uma estimativa da temperatura do (a):

- Sol.

- Chama de vela.

- Chama de fogão.

- Brasa de carvão.

Encaminhamento da discussão

Em nossa aplicação, esta atividade foi bastante interessante, com

participação intensa dos alunos. Este fato pode levar à falta de tempo para a leitura

dos dois textos. Uma sugestão é a leitura compartilhada dos textos, em que cada

aluno lê um pouco e o professor faz uma breve explicação; isso evitará que os

alunos demandem, ao mesmo tempo, a presença do professor, para tirar dúvidas.

As principais dificuldades presentes em nossa aplicação foram: a

interpretação dos comentários dos grupos sobre os desenhos dos alunos; a

necessidade do ar injetado no AF e, principalmente, os cálculos propostos na

questão Q4.

58

__________________________________________________________________

Texto 5.1

Zona de combustão

Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado

Em frente às ventaneiras situa-se a região da zona de combustão (veja Figura

15). O ar aquecido injetado pelas ventaneiras queima o coque, originando gás e

enorme quantidade de calor. E esse gás que sobe transfere calor para a carga que

desce e promove reações de redução5 .

Também é uma região conhecida por ser parcialmente vazia em virtude da

grande energia cinética do sopro de ar quente proporcionado pelas ventaneiras a

uma velocidade de 180 a 280 m/s e pressões de 3 a 5 kgf/cm2. O gás CO formado

nessa região apresenta temperatura de 2100 a 2300 ºC.

Sobre a zona de combustão (E.M.S. Rizzo P.30) escreve:

Em relação à dimensão da zona de combustão sugere-se que esta é mantida pelo equilíbrio dinâmico do processo, onde a camada de redutor, acima da zona de combustão, permanece em fluidização incipiente

6, tal que a força de arraste do gás seja igual ao peso da

carga acima.

Após passarem pela região do homem morto7, última fase sólida, as

substâncias derretidas se depositam no cadinho, que são o ferro-gusa e escória.

Pelos furos do AF a escória e o ferro-gusa são vazados e passam por um canal de

material refratário com desnível onde se separam por diferença de massa

específica, indo a escória para um poço onde é granulada com jatos

d água a alta pressão e o ferro-gusa para os carros torpedo.

A retirada do ferro-gusa e da escória do cadinho deve ser regular e altamente

controlada. Pois, havendo acúmulo em excesso de ferro-gusa e escória, afetará a

zona de combustão e até mesmo a descida da carga torna-se irregular e lenta,

causando superaquecimento e até derretimento das ventaneiras.

5 Redução é a reação química de retirada do oxigênio do óxido de ferro. As reações de Redução dos

Oxidos de Ferro podem ser resumidas assim: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3CO2. 6 Fluidização incipiente é o movimento da matéria com velocidade mínima.

7 A

região do homem morto

corresponde a região de coque que ainda se encontra sólido e não vai em

direção as ventaneiras, vai ser fundido pelo ferro-gusa do cadinho.

59

A zona de maior temperatura no AF é a de combustão, a partir daí o calor vai

se propagando para outras regiões.

Figura 13 – Divisões de Alto-Forno

Fonte: RIZZO, 2009, p. 27

__________________________________________________________________

Texto 5.2

Cor, Energia e Temperatura8

A chama da vela, como você deve ter observado, não é homogênea, pois

apresenta regiões com cores diferentes. Nessas regiões as temperaturas não são as

mesmas: a azul é a região mais quente.

8 Adaptado de: LEITURA 10: Fontes de luz (e de calor), Leituras de Física, Ótica, GREF: Instituto de

Física da USP. Site: www.if.usp.br/gref/.

60

Figura 14 – Chama da vela

Fonte: ALVES, Líria. Qual é o estado físico do fogo? Equipe Brasil Escola. 03/2012. Disponível em: < http://educador.brasilescola.com/estrategias-ensino/qual-estado-fisico-fogo.htm>.

Acessado em: 10/2012.

Nas lâmpadas incandescentes o filamento, que é aquecido pela corrente

elétrica, emite luz de cor branca amarelada. Com esse tipo de lâmpada dificilmente

conseguimos ver várias cores, como as que vemos, por exemplo, na chama de uma

vela, pois a temperatura em todo o filamento é praticamente a mesma. Também

podemos ver o filamento da lâmpada incandescente com uma tonalidade vermelha,

amarela ou mesmo branca.

Estes exemplos nos mostram a luz associada ao calor. Aliás, uma das formas

de calor é a radiação não visível, chamada infravermelha, que vem junto com a luz

visível, especialmente na ocorrência de altas temperaturas.

A chama da vela e o filamento da lâmpada são exemplos de produção de luz

visível, em razão das altas temperaturas presentes na combustão da vela e no

filamento com corrente elétrica.

As lâmpadas incandescentes, de 60W ou 100W, quando ligadas na tensão

correta emitem luz branco amarelada.

Mas às vezes acontece de ligarmos uma dessas lâmpadas numa tensão

elétrica inadequada, e nesse caso sua luminosidade se altera.

Se a ligamos numa tensão acima daquela especificada pelo fabricante, seu

filamento emite uma intensa luz branca azulada, mas apenas por alguns instantes,

"queimando-se" em seguida.

Se a ligamos numa tensão menor do que a especificada em seu bulbo, a luz

emitida é de cor avermelhada.

61

Nas duas situações as energias envolvidas são diferentes, estando a luz

avermelhada associada à menor delas [menor tensão elétrica], e a luz branco

azulada, à maior. Essas observações nos revelam que as cores avermelhada,

branca amarelada e branca azulada, emitidas pelo filamento, estão na ordem das

energias crescentes.

A chama de uma vela também apresenta regiões com cores diferentes, cada

uma associada a uma determinada temperatura. A região mais quente da chama é

aquela que apresenta uma luz azulada.

As regiões da chama com luz amarela e laranja estão associadas a

temperaturas menores.

O centro da chama é azul, pois a região em direta proximidade com a

combustão é a mais quente.

Quando um corpo vai sendo mais e mais aquecido, emite radiação visível,

inicialmente com uma cor vermelho alaranjada, depois um vermelho mais brilhante

e, a temperaturas mais altas, uma cor branca azulada.

Com o aumento da temperatura o corpo emite mais radiação, e a cor da

radiação mais intensa é a que prevalece.

A relação aproximada entre temperatura e cor é mostrada no quadro a seguir.

Quadro 7 – Temperatura e cor

Temperatura (oC) Cor

~1100 Vermelho

~2200 Laranja

~3400 Amarelo

acima de 10000 azul/branco

Fonte: INSTITUTO DE FÍSICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. Cor e

temperatura. Adaptado. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/~leila/cor.htm. Acessado em:

10/2012.

_________________________________________________________________________________

62

4.6 - Atividade nº 6: As transformações do minério de ferro

Nas atividades anteriores foi identificado que granulados e sínter de minério

de ferro são introduzidos pela parte mais alta do AF e que o ferro-gusa, material

líquido, resultante dos processos que ocorrem no seu interior, é obtido da parte

inferior do mesmo. Esta atividade se propõe ao estudo desses processos internos,

enfatizando os termodinâmicos que envolvem pressão e temperatura e, em

particular, as mudanças de estado físico das substâncias.

Objetivos: utilizando conceitos envolvidos no fenômeno da convecção térmica e

mudanças de estado físico da matéria, compreender como ocorrem as diferentes

pressões e temperaturas no interior do AF e relacioná-los com as transformações

que ocorrem no minério de ferro no processo de obtenção do ferro-gusa.

Desenvolvimento da atividade:

Uma sugestão é iniciar por uma leitura compartilhada do Texto 6.1(O gás de

Alto-Forno), acompanhada da identificação dos locais onde estão ocorrendo os

fenômenos enfatizados no texto utilizando o esquema de um AF.

I- Para este desenvolvimento distribuir o Texto 6.1 para os estudantes e projetar o

desenho de um AF, por exemplo, a (Fig.12), do Texto 5.1 (da atividade anterior).

II – Fazer a leitura compartilhada e a cada leitura de um parágrafo, verificar a

compreensão dos alunos e mostrar no esquema do AF os locais onde estão sendo

tratados pelo texto.

III- Solicitar que formem grupos e respondam as questões abaixo.

Q1- Por que o minério não é colocado na parte inferior do AF? Argumente.

Q2- Onde e como o minério é derretido?

Q3- Se a quantidade de minério colocado no alimentador for maior do que a

quantidade planejada para o bom funcionamento do AF, o que ocorre no processo

de produção do ferro-gusa?

Q4- Se uma das ventaneiras parar de funcionar, o que ocorre na fabricação do ferro-

gusa?

IV- Distribuir o Texto 6.2 (O fenômeno da convecção) para os grupos e solicitar

respostas as questões:

63

Q5) Quando os gases são aquecidos o que acontece com a sua densidade? Qual o

movimento que os gases tendem a ter com isso? Explique por que ocorre tal

movimento.

Q6) Existem semelhanças entre: o movimento dos gases no interior do AF; o vento

que sopra de uma região para outra e o movimento do ar que ocorre ao ligar um ar

condicionado? Explique.

Discutir com a classe as respostas dos grupos.

V- Exercício para casa:

Distribuir o Texto 6.3 (Mudanças de Fases da matéria) e solicitar para que os alunos

respondam as questões abaixo.

a) Com base no Texto 6.3, quando o minério de ferro é derretido, como se chama

essa mudança de fase?

b) O Texto 6.3 afirma que: Quando uma substância está mudando de fase o valor da

sua temperatura mantém constante. Então, por que ocorre o derretimento total do

minério se a temperatura não aumenta enquanto funde?

c) Procure o valor do calor latente de fusão e de ebulição do ferro, consultando

fontes como livros, enciclopédias, internet entre outras. Indique as fontes

consultadas. Explique o significado destes dois valores.

d) Descreva 2 situações em que ocorre o fenômeno da evaporação. O que acontece

com a temperatura do liquido que evapora? Explique.

e) Dê um exemplo de situação do cotidiano em que você sabe que está ocorrendo

aumento (ou diminuição) de pressão e como consequência se tem aumento (ou

diminuição) da temperatura de ebulição.

Encaminhando a discussão:

Em nossa aplicação, a primeira questão mostrou-se importante, pois deu ao

aluno uma boa ideia de como o minério vai sendo derretido por receber calor dos

gases. A grande maioria compreendeu que se colocar minério no alimentador em

maiores quantidades do que o planejado, o processo no interior do AF ficará

comprometido com resultado final não totalmente liquido. A dificuldade apresentada

está relacionada com a explicação do fenômeno da convecção e, assim, uma

sugestão é que o professor, no início da aula leitura do Texto 6.2 - O fenômeno da

Convecção faça uma boa explanação do mesmo.

64

Para casa

Referente à atividade para casa (Texto – Mudanças de Fases da Matéria), a

Questão b), que trata da constância da temperatura no processo de fusão, em nossa

pesquisa, cerca de 90% dos alunos não responderam corretamente. Uma sugestão

é acrescentar na atividade para casa, a realização de uma experiência de

observação da temperatura em um processo de fusão – por exemplo, utilizando um

termômetro, medir a temperatura de um copo com gelo + água, em intervalos de 5

minutos, durante 20 minutos. Outra dificuldade foi na compreensão do fenômeno da

evaporação; o fato da temperatura do liquido diminuir foi bastante estranho ao aluno

e foi necessário cuidado na explicação desse fenômeno.

_________________________________________________________________

Texto 6.1

O Gás de Alto-Forno

Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado

Os gases que são obtidos nas regiões inferiores do AF através da reação de

combustão do carvão pulverizado, com o oxigênio do ar de combustão, sobem e

reagem com o minério que desce sofrendo redução9. A queima do carvão com o

oxigênio e as reações químicas que surgiram liberam calor para o minério que desce

fundindo-a.

A massa de minério que desce no AF é equilibrada pela pressão dos gases

que sobem. Se o processo for devidamente controlado, na subida dos gases eles

perdem calor para a que desce, abandonando o forno a uma temperatura de 80 a

200 ºC.

O controle da temperatura do gás de topo é importante para se saber a altura

da zona granular10. Um aumento na temperatura significa que a velocidade do gás

está sendo grande o que acarreta queda no rendimento do gás.

9 Redução é a reação química de retirada do oxigênio do óxido de ferro. As reações de Redução dos

Oxidos de Ferro podem ser resumidas assim: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3CO2. 10

Zona granular, região onde toda a carga se encontra no estado sólido. Nesta zona ocorre reação de redução dos óxidos de ferro pelo gás ascendente.

65

É necessária uma velocidade adequada dos gases para que eles tenham um

bom contato para troca de calor com a carga que desce.

O controle da pressão e da vazão dos gases que saem no topo é necessário

para o bom funcionamento do AF.

Usam-se equipamentos para controlar a fuga desses gases de dentro do AF e

manter uma pressão para sustentação e controle da descida da carga dentro do AF.

A quantidade de gases gerado no AF é muito grande. Eles não podem ser

lançados na atmosfera por possuírem substâncias químicas que fazem mal à saúde

humana. Também carregam consigo muita poeira. Esses gases são passados por

um processo de coleta e limpeza de partículas sólidas para depois serem usados em

várias partes da usina, principalmente na produção de vapor para movimentar a

turbina de topo gerando energia elétrica.

___________________________________________________________________

Texto 6.2

O Fenômeno da Convecção

Fonte: LUZ; ALVARENGA, Vol. 2, 2006 – Adaptado

A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente

nos fluidos (líquidos e gases). Diferentemente da condução onde o calor é

transmitido de átomo a átomo sucessivamente, na convecção a propagação do calor

se dá através do movimento do fluido envolvendo transporte de matéria.

A descrição e explicação desse processo é simples: quando uma certa massa

de um fluido é aquecida suas moléculas passam a mover-se mais rapidamente,

afastando-se, em média, uma das outras. Como o volume ocupado por essa massa

fluida aumenta a mesma torna-se menos densa. A tendência dessa massa menos

densa no interior do fluido como um todo é sofrer um movimento de ascensão

ocupando o lugar das massas do fluido que estão a uma temperatura inferior. A

parte do fluido mais frio (mais densa) move-se para baixo tomando o lugar que antes

era ocupado pela parte do fluido anteriormente aquecido. Esse processo se repete

inúmeras vezes enquanto o aquecimento é mantido dando origem às chamadas

correntes de convecção. São as correntes de convecção que mantêm o fluido em

circulação. Para o aquecimento ou resfriamento do ar este é o processo de

propagação do calor mais eficiente.

66

Texto 6.3

Mudanças de Fases da Matéria

Fonte: LUZ; ALVARENGA, Vol. 2, 2006 – Adaptado

Quando fornecemos calor a um corpo e sua temperatura se eleva, já

sabemos que há um aumento na energia de agitação de seus átomos. Este aumento

de agitação faz com que a força de ligação entre os átomos seja alterada, podendo

acarretar modificações na organização e separação destes átomos. Em outras

palavras, a absorção de calor por um corpo pode provocar nele uma mudança de

fase. Naturalmente, a retirada de calor deverá provocar efeitos inversos do que são

observados quando o calor é cedido à substância.

Fusão é quando um sólido cristalino, recebendo calor sua temperatura

aumenta até desfazer a organização atômica e a força entre as moléculas passa ser

menor, tornando-se um líquido.

As leis da fusão

1ª) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a fusão é bem determinada

para cada substância.

2ª) Se um sólido se encontra em sua temperatura de fusão, é necessário fornecer

calor a ele para que ocorra a mudança de estado. Essa quantidade de calor chama-

se calor latente de fusão que é característico de cada substância.

3ª) Durante a fusão, a temperatura do sólido permanece constante.

Influência da pressão na temperatura de fusão

Quando uma substância se funde, de modo geral ela aumenta de volume.

Para uma substância que tenha este comportamento, observa-se que um aumento

na pressão exercida sobre ela acarreta um aumento em sua temperatura de

fusão.

Vaporização é a passagem do estado líquido para o estado gasoso e pode

ocorrer de duas maneiras:

1º) por evaporação – quando a passagem se faz lentamente a qualquer temperatura.

67

2º) por ebulição – quando a passagem se faz rapidamente, a uma temperatura bem

determinada para cada líquido.

Evaporação

Sabemos que as moléculas de um líquido encontram-se em constante

agitação, movendo-se em todas as direções, com velocidades variáveis, desde zero

até valores muito grandes. A temperatura de um líquido é determinada pela

velocidade média de suas moléculas, sendo mais elevada para velocidades, em

média, mais altas. Em qualquer temperatura do liquido algumas moléculas, com

velocidades suficientemente elevada, ao alcançarem a superfície, conseguem

escapar do líquido. Após escaparem, elas passam a uma situação em que se

encontram muito afastadas entre si, de modo que a força entre elas é praticamente

nula, isto é, encontram-se no estado gasoso. Esse é o processo de evaporação do

líquido.

Ebulição

As leis da ebulição

1ª) A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a ebulição é bem

determinada para cada substância.

2ª) Se um líquido se encontra em sua temperatura de ebulição, é necessário

fornecer calor a ele para que ocorra a mudança de estado. Essa quantidade de

calor chama-se calor latente de vaporização que é característico de cada

substância.

3ª) Durante a ebulição, a temperatura do líquido permanece constante.

Influência da pressão na temperatura de ebulição

Qualquer substância ao se vaporizar aumenta de volume. Por este motivo,

um aumento na pressão acarreta um aumento em sua temperatura de ebulição.

_________________________________________________________________

68

4.7- Atividade nº7: As paredes de um alto-forno são especiais?

O controle da temperatura é um dos grandes desafios de qualquer processo

tecnológico. Para as diferentes temperaturas envolvidas, diferentes materiais devem

ser utilizados em função do objetivo almejado. Na situação em que se deseja uma

condução do calor eficiente, os metais são um bom exemplo; na situação inversa

temos, por exemplo, os materiais porosos ou fibrosos. Esta propriedade dos

materiais, que permite menor ou maior condução do calor, caracterizada pelo

coeficiente de condutividade térmica, é um dos elementos que direciona a escolha

do material a ser utilizado nas diversas partes de um a Alto-Forno.

Objetivos: utilizando conceitos envolvidos no fenômeno da condução térmica

compreender o uso de diferentes materiais em diferentes partes de um AF devido a

altas temperaturas e grandes impactos em seu interior.

Desenvolvimento da atividade

Uma sugestão para desenvolver esta atividade é escolher inicialmente

desenhos de alunos e comentários de colegas que fazem referências ao material

das paredes do AF, como o exemplo mostrado no quadro seguinte.

Quadro 8 – Comentário – Visão do aluno de um AF

Comentário do grupo: o desenho do aluno é de uma panela em cima de uma fogueira que é aquecida derretendo o ferro. E no AF, o

esquema é composto de uma fôrma com tijolos que impede a troca de calor com o ambiente onde é derretido o minério até 1600ºC.

Fonte: O autor

69

Sugestão de encaminhamento:

I- Formar grupos de cerca de 4 alunos. Distribuir cópia de desenho e comentário de

grupo que aborda o material utilizado nas paredes do AF – como o exemplo do

Quadro 8.

I) Solicitar que os grupos leiam e discutam o comentário que acompanha o desenho.

II) A seguir solicitar que os grupos respondam.

Q1) A afirmação: “o AF é construído com tijolos que impedem a troca de calor com o

ambiente”, é verdadeira? Justifique.

Q2) Há panelas de vários materiais. Em alguns restaurantes self service nos

deparamos com a comida em panelas de pedra. Com base no Texto 7.1, qual a

vantagem de se usar panela de pedra nesta situação? E qual a vantagem de se usar

uma panela de alumínio para fazer comida?

Q3) No Texto 7.2, na região do Ventre, afirma-se que os tijolos refratários têm de

800 a 1000 mm de espessura. Com base no Texto 7.1, qual a relação entre a

espessura do tijolo refratário e o fluxo de calor?

Q4 ) Analisando (igualando) as equações 1 e 2 do Texto 7.1, explique o significado

da unidade da condutividade térmica W/mK.

Q5) Analisando o Texto 7.1, o calor pode se transferir de quantas maneiras? Cite-as.

A parede do AF evita transferência de calor por qual(is) processo(s)? Justifique.

Encaminhando a discussão:

Como nas atividades anteriores, como foi observada em nossa aplicação, a

leitura compartilhada dos textos, foi bastante produtiva. O Texto 7.1 apresentou

dificuldades de compreensão e foi necessário um cuidado maior nas explicações. No

Texto 7.2, foi necessário enfatizar que a estrutura física do AF é de aço, bom

70

condutor de calor, mas ela é externa; internamente o material é mal condutor de

calor.

Também foi necessário enfatizar a relação inversa do fluxo de calor com a

espessura. Entretanto, a maior dificuldade ocorreu na questão 4, quando se exigiu

operação matemática.

__________________________________________________________________

Texto 7.1

Transferência de Calor

Fonte: LUZ; ALVARENGA, Vol. 2, 2006 – Adaptado

Na atividade anterior (Atividade 6) foi analisada a transferência de calor por

convecção, na qual o aquecimento da parte superior é resultante da subida do ar,

menos denso, pelo aquecimento do mesmo na parte inferior do AF. O processo de

convecção é o responsável pela maior parte do calor transferido através dos fluidos.

Acontece que quando o fluido recebe calor sua densidade diminui fazendo com que

o fluido vá para a parte mais elevada.

Outra maneira de transferir calor é por condução, fenômeno que ocorre

devido uma diferença de temperatura entre dois locais, sem deslocamento de

matéria. O processo de condução é o responsável pela maior parte do calor

transferido através de sólidos.

1º) Condução Térmica

Estudo qualitativo

Suponha que uma pessoa esteja segurando uma das extremidades de uma

barra metálica e que a outra extremidade seja colocada em contato com uma

chama. Os átomos ou moléculas desta extremidade, aquecida pela chama,

adquirem uma maior energia de agitação. Parte desta energia é transferida para as

partículas da região vizinha a esta extremidade e a temperatura desta região

também aumenta. Após certo tempo, a pessoa que segura a outra extremidade

perceberá uma elevação de temperatura neste local.

71

Houve uma transmissão de calor ao longo da barra, que continuará enquanto

existir uma diferença de temperatura entre as duas extremidades. Esta transmissão

foi feita pela agitação dos átomos da barra, transferida sucessivamente de um para

outro, sem que estes átomos sofressem translação ao longo do corpo. Este

processo de transmissão de calor é denominado condução.

Dependendo da constituição atômica de uma substância, a agitação térmica

poderá ser transmitida com maior ou menor facilidade, fazendo com que esta

substância seja boa ou má condutora de calor. Para melhor caracterizar as

diferenças entre os materiais em relação à condução e isolamento térmicos, define-

se uma propriedade denominada de condutividade térmica.

Tabela 2 – Condutividade térmica

Fonte: YOUNG, Hugh D., University Physics, 7th Ed. Table 15-5. Disponível em:

http://fep.if.usp.br/~profis/experimentando/diurno/downloads/Tabela%20de%20Condutividade

%20Termica%20de%20Varias%20Substancias.pdf. Acessado em: 11/2012.

Substâncias Condutividade

térmica*

(W/mK)

Aço 50,2

Água a 20oC 0,6

Aluminio 205,0

Ar a 0oC 0,024

Concreto 0,8

Ferro 79,5

Lã (novelo) 0,04

Madeira 0,12 - 0,04

Tijolo 0.9-1.2

Vidro 0,8

72

Estudo quantitativo do fluxo de calor

Considere dois corpos mantidos em temperaturas fixas T1 e T2, tais que T2

seja maior que T1. Unindo estes corpos por uma barra de secção uniforme de área A

e de comprimento L, haverá condução de calor, através da barra, do corpo mais

quente para o mais frio. O quociente da quantidade de calor ΔQ que passa na barra

pelo intervalo de tempo Δt é denominado fluxo de calor (Φ) através daquela secção,

isto é,

Φ = ΔQ/ Δt (1)

Se a barra for envolvida por um isolante térmico e mantida a mesma diferença

de temperatura, verifica-se que depois de certo tempo ela atinge uma situação

denominada regime estacionário, que é caracterizado por ter o fluxo de calor o

mesmo valor em qualquer secção da barra.

Verifica-se experimentalmente que o fluxo de calor Φ é:

1º) diretamente proporcional à área da secção reta da barra.

2º) diretamente proporcional à diferença de temperatura entre as extremidades da

barra.

3º) inversamente proporcional ao comprimento da barra.

Temos:

Φ = k A (T2 – T1)/L (2)

A constante K é característica do material de que é feita a barra e se

denomina condutividade térmica da substância.

2º) Radiação Térmica

A transferência de calor por condução e por convecção exige a presença de

um meio material para que ocorra. A radiação térmica, ao contrário, pode se fazer

através do espaço vazio e é por este motivo que a radiação emitida pelo Sol chega a

73

Terra. A radiação térmica é um tipo de onda eletromagnética, de frequência menor

que da luz visível. Qualquer corpo emite radiações térmicas, não sendo necessário

que sua temperatura seja tão elevada quanto a do Sol.

Quando certa quantidade de energia radiante incide em um corpo, de modo geral

parte dela é absorvida pelo corpo, outra parte é transmitida através dele e a parte

restante é refletida.

Assim como a parede espelhada de uma garrafa térmica evita a propagação

de calor por radiação, os tijolos refratários usados nos Altos Fornos ajudam a evitar

a propagação de calor por radiação e também por condução.

__________________________________________________________________

Texto 7.2

As Regiões do Alto-Forno

Fonte: Rizzo, E. M. S, 2009 – Adaptado

Sobre a estrutura física do AF, cita (E.M.S. Rizzo. P.21):

O corpo do AF é construído de chapas de aço soldadas. Esta estrutura deve suportar elevadas pressões oriundas da operação do equipamento e de seu refratário (dilatação), além de tensões térmicas e mecânicas do carregamento e descida da carga. Também deve permitir a confecção de vários cortes para instalação de sistemas de refrigeração e monitoramento do processo sem que ocorra a sua fragilização.

É costume dividir o AF em cinco regiões: goela, cuba, ventre, rampa e

cadinho. Veja figura a seguir.

Goela

Compreende a região do topo do AF, onde é feito o abastecimento e

distribuição da matéria, chapas de aço são usadas internamente para revestimento

da parede da goela para não estragar o refratário devido ao atrito contínuo na

entrada da carga. E uma calha rotativa distribui do alto o material para o interior do

AF.

74

Cuba

É a região de maior volume no AF. Tem formato de tronco de cone e seu

interior é de tijolos refratários do tipo sílico aluminoso ou carbeto de silício.

Ventre

É a região de maior diâmetro no AF e de formato cilíndrico. Os tijolos

refratários nessa região têm espessura de 800 a 1000 mm e fica sujeito ao atrito da

carga metálica que desce. É usado um sistema de refrigeração nessa região para

aumentar a durabilidade dos materiais.

Rampa

É a região de maior desgaste devido ao atrito. Sua forma de tronco de cone

ajuda no sustento da carga e o refratário de carbono com espessura de 500 a 800

mm. Também um sistema de refrigeração é usado na rampa.

Cadinho

Onde ficam depositados ferro-gusa e escória no estado líquido por certo

tempo. Tem forma cilíndrica com tijolos refratários de carbono. É no cadinho que é

feito furo para vazamento de ferro-usa e escória líquidos.

Figura 15 – Regiões do Alto-Forno

Fonte: RIZZO, 2009, p. 21

_________________________________________________________________

75

4.8 - Atividade nº8: Refrigeração a água – que propriedade é essa da água?

Esta última atividade propõe fechar o estudo da física térmica tratando da

propriedade do material, denominada calor específico, relacionada a sua

capacidade de absorver maior ou menor quantidade de calor na mudança de

temperatura. É esta propriedade que permite compreender porque no processo de

refrigeração de sistemas é utilizada a água e em algumas situações ela é substituída

pelo ar.

Objetivos: utilizando o conceito de calor específico de uma substância explicar a

escolha da água para refrigeração do AF e, também, que para uma mesma

mudança de temperatura se tem necessidade de diferentes quantidades de

energia/calor para diferentes materiais.

Desenvolvimento da atividade

Uma sugestão de desenvolvimento dessa atividade:

I- Solicitar que formem grupos e respondam as questões.

Q1) Na região do Ventre de um AF é usado um sistema de refrigeração para

aumentar a durabilidade dos materiais. Como a circulação de água ajuda a evitar

superaquecimento?

Q2) O que ocorre com o AF se a refrigeração for feita utilizando ar? Responda

com base no Texto 8.1.

Q3) Uma propriedade importante dos materiais é o calor específico. Com base no

Texto 8.1, o tijolo refratário do AF tem baixo ou alto calor específico? Justifique.

Q4) Nos automóveis também há um sistema de refrigeração. Onde ocorre isso nos

carros? Qual é a substância utilizada?

Q5) Determine a quantidade de energia (cal) necessária para elevar a temperatura

de 5kg de ferro de 20oC a 100oC? E, de 5kg de água?

Q6) Explique porque uma brisa sopra do mar para a terra durante o dia e em sentido

contrário à noite.

76

Encaminhando a discussão:

As principais dificuldades que poderão estar presentes no desse envolvimento

dessa atividade estão no processo de refrigeração, que envolve o conceito de calor

específico; no cálculo de energia em cal, que envolve transformação de unidades e

na explicação da formação da brisa do mar. Nessa última dificuldade, como

identificamos em nossa pesquisa, a formação da brisa é explicada pela expansão do

ar pelo aquecimento solar e, portanto, durante o dia o vento será da terra (mais

quente) para o mar, que está em desacordo com a afirmação da questão Q6.

___________________________________________________________________

Texto 8.1

Capacidade Térmica e Calor Específico

Capacidade Térmica

Quando dois ou mais corpos cedem ou absorvem quantidades iguais de calor,

a variação de temperatura por eles sofrida é, em geral, diferente uma da outra. Isto

também significa que para uma mesma variação de temperatura, corpos diferentes

necessitam diferentes quantidades de calor. A grandeza física, que determina o

calor (Q) que é necessário fornecer a um corpo para produzir uma determinada

variação de temperatura (ΔT), é denominada de capacidade térmica ou capacidade

calorífica (C) e representada por: C= Q/ ΔT. Ela é medida pela energia necessária

para aumentar de 1oC a temperatura de um corpo e a unidade usada no SI é J/K

(Joule por Kelvin).

Dois corpos de massas diferentes e de mesma substância possuem

capacidades térmicas diferentes. Dois corpos de massas e de substâncias

diferentes podem possuir a mesma capacidade térmica. A capacidade térmica

caracteriza o corpo, e não a substância que o constitui. Quando a massa é fixada

em uma unidade, a capacidade térmica passa a ser denominada de calor específico

(c), caracterizando uma substância.

O calor específico de uma substância ( ) a partir da capacidade térmica de

um corpo composto por ela ( ) e da massa desse corpo ( ).

77

(3)

Também é possível determinar o calor específico de uma substância a partir

da quantidade de calor cedida a um corpo dessa substância ( ), da massa desse

corpo, e da variação térmica ( ) que ele sofre (temperatura final - temperatura

inicial).

(4)

A tabela abaixo apresenta o calor específico de algumas substâncias à

pressão constante de 1 atm.

Tabela 3 – Calor específico

A água possui calor específico igual a 1,0 cal/g.oC, o que é considerado um

valor elevado, isso faz com que ela possa tanto ceder como absorver muita

quantidade de calor sem que haja alteração no seu estado físico.

Substância Calor Específico (cal/g.°C)

água 1,0

alumínio 0,22

ar 0,24

cobre 0,094

ferro 0,11

gelo 0,5

hidrogênio 3,4

madeira 0,42

ouro 0,032

rochas 0,21

78

Substâncias com calor específico mais baixo que o da água tende a aquecer

e resfriar com mais facilidade e rapidez que a água.

Como exemplo de calor específico baixo é a areia (0.2 cal/g.oC). Durante o

dia, a temperatura num deserto é muito elevada e, durante a noite, sofre uma grande

redução.

__________________________________________________________________

4.9 Atividade nº9: Avaliando o trabalho realizado com os alunos

Nos professores estamos acostumados a avaliar nossos alunos para verificar

o nível de aprendizagem. Saber o que precisa melhorar o que melhorou, quais foram

os aspectos positivos e negativos durante o processo de ensino, enfim precisamos

saber em que patamar do conhecimento eles se encontram.

No caso em questão verificar a aprendizagem dos conhecimentos de física

térmica e estudo do alto forno.

Objetivo: Avaliar a proposta de ensino em relação à compreensão do papel social e

econômico de uma siderurgia, o processo de transformações que ocorrem em um

AF e a física nele envolvida.

Desenvolvimento da atividade

A seguir, como sugestão, é apresentado um questionário para diagnosticar a

aprendizagem dos alunos que participaram das oito atividades de ensino de física

térmica e estudo do AF.

Em função do tempo disponível e/ou das características dos alunos, o

levantamento pode ser realizado oralmente em sala de aula colocando as respostas

no quadro. Só a questão dois deve ser feita pelo aluno em papel em sala de aula.

Exemplo de questionário:

Nome:___________________________________

Turma:__________________

Se faltar espaço para respostas, utilize o verso das folhas.

79

___________________________________________________________________

1) Por que a usina Gerdau Açominas é importante para sua cidade e para o Brasil?

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

2) Quais são as principais partes de um alto-forno (AF)? Desenhe um alto-forno (AF)

indicando essas partes.

___________________________________________________________________

3) Quais são as transformações que ocorrem no minério de ferro no interior de um

Alto-Forno? Explique como e por que ocorrem tais transformações.

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

4) No interior do AF a temperatura da região das ventaneiras, local em que ocorre a

queima do coque, é da ordem de 2200oC e de seu topo, onde entra o minério de

ferro, é da ordem de 200oC. Qual é o fenômeno físico que ocorre neste processo de

aquecimento da parte superior? Explique este fenômeno.

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

80

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

5) Por que as paredes do Alto-Forno são de tijolos e não de ferro? É possível

construir um Alto-Forno de aço inox? Explique.

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

6) Em uma viagem imaginária ao cosmos os cientistas encontraram um material

bastante semelhante ao minério de ferro da Terra e batizaram de FerroZ. Sua

temperatura de fusão é 1.800oC ( cerca de 20% maior que do ferro) e seu calor

específico de 0,22 cal/g.oC (dobro do ferro).

Que adaptações ou modificações são necessárias para utilizar o Alto-Forno

siderúrgico para extração de matéria semelhante ao ferro-gusa (ferroZ gusa)?

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

7) Escreva as 3 coisas que você mais gostou dessas aulas sobre usina siderúrgica.

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

81

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

8) Escreva as 3 coisas que você não gostou no estudo de usina siderúrgica.

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

9) O que mais você gostaria de saber sobre usina siderúrgica?

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

Estas perguntas ajudarão a avaliar o trabalho desenvolvido e até mesmo

fazer com que os alunos sintam satisfação em responder perguntas que antes das

atividades não conseguiriam. A sugestão é de que o questionário seja respondido

individualmente pelo aluno, sem receber nenhuma colaboração.

Encaminhando a discussão:

Em nossa pesquisa, esta atividade nos evidenciou que os alunos aprenderam

muita coisa. As respostas sobre a importância da Gerdau para a cidade ou país

estão mais elaboradas e articulas, citando a importância do emprego gerado pela

siderúrgica, o desenvolvimento da cidade que ela promove, a melhoria da economia

da cidade e do Brasil.

Pudemos também perceber pelas figuras desenhadas na questão 2, que o

esquema do AF é bastante diferente daquela da primeira atividade. Para

exemplificar apresentamos um AF na Atividade 1 e, meses depois, na Atividade 9.

82

Figura 16 - Desenho de AF de um aluno na Atividade 1

Fonte: O autor

Figura 17 - Desenho de AF do mesmo aluno da figura 18 na Atividade 9.

Fonte: O autor

83

Figura 18 - Desenho de AF de um aluno na Atividade 9. Na Atividade 1 ele não fez o desenho de AF.

Fonte: o autor

Outro avanço revelado pelas respostas é de natureza conceitual, como a

compreensão de capacidade térmica, pela explicação correta da razão das paredes

do AF serem de tijolos; de mudança de estado físico da matéria e sua temperatura

relacionando corretamente as temperaturas do AF e o estado sólido e liquido do

minério de ferro em seu interior. Entretanto o fenômeno da convecção não foi bem

compreendido. Uma sugestão é enriquecer a atividade que trata deste fenômeno

(Atividade 6) com uma experiência, como o aquecimento de água com pó de serra,

que mostra o movimento as partículas sólidas subindo e descendo.

A última questão, que pergunta o que mais gostaria de saber sobre a Usina

Siderúrgica os alunos em sua maioria escreveram: o que é feito com o ferro-gusa,

gostaria de saber sobre segurança e a maior parte ainda e ver o funcionamento de

perto, quer dizer os alunos têm grande desejo de visitar a Usina. Assim, sugerimos

que, durante ou após a aplicação da proposta, o professor organize visita técnica a

uma usina siderúrgica, o que ficou faltando em nosso trabalho.

84

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Dos resultados da avaliação final e da etapa de cada atividade e da

observação das atitudes e participação positivas dos alunos em sala de aula foi

possível inferir que esse trabalho de pesquisa caminhou na direção correta.

O resultado positivo, da utilização da siderurgia como o objeto sobre qual se

estabelece o diálogo inicial, nos deu elementos para afirmar que a educação

problematizadora, referencial teórico desse trabalho, tinha presença real nas

atividades elaboradas. No que se refere aos referenciais teóricos, os três momentos

pedagógicos de DELIZOICOV et al (2002), de problematização inicial, de

conhecimento e de organização e aplicação, estiveram presentes em cada uma das

atividades.

A articulação das etapas de cada atividade e entre as atividades também se

mostrou positiva, na medida em que uma deu suporte para a outra e as situações

fluíram de maneira que em nenhuma etapa houve desânimo, mas sim, presença de

desafios novos e interessantes, que moviam a pesquisa.

Outro aspecto positivo do trabalho foi o estudo de um objeto/tema externo aos

conteúdos tradicionais do ensino da física – o alto-forno. Foi estimulante pesquisar e

compreender toda uma estrutura do alto-forno não só internamente, mas também

externamente incluindo suas mediações. Também, foi prazeroso o reconhecimento

da presença da física ensinada na sala de aula nos fenômenos apresentados no

funcionamento da fabricação do ferro-gusa. Essa identificação do conteúdo da física

no alto-forno proporcionou uma re-conceituação dos conteúdos da física térmica –

deu um significado mais abrangente aos conceitos como capacidade térmica,

mudança de fase, temperatura de fusão, entre outros.

A leitura de artigos de revistas também é um processo relevante por propiciar

reflexões, como a constatação das dificuldades dos estudantes nos conceitos de

calor, temperatura e equilíbrio térmico, que me impressionou e abriu-se um momento

de reflexão para mim, pois não imaginava essa dimensão. Algumas leituras podem

até proporcionar mudança na prática pedagógica do professor, como ocorreu

comigo, ou no redirecionamento da pesquisa pela leitura do artigo A Física na Casa

de Farinha (ALMEIDA et al 2011), em que foram os estudados fenômenos físicos

nos aparelhos que faziam a farinha. Outro elemento importante das leituras de

artigos é compreender o “estado da arte” de uma área de pesquisa e situar a

85

pesquisa nesse contexto. Em minha pesquisa, dentre os títulos dos artigos

encontrados em revistas da área de ensino de física, não havia nenhuma

abordagem de ensino utilizado o alto-forno.

Outro período marcante foi ao começar a elaborar as atividades de ensino de

física (o produto), período de aprendizado, por exemplo, na fundamentação teórica

baseado em DELIZOICOV de problematização inicial do conhecimento, organização

e aplicação. Mas ainda no inicio, muitas meditações, como elaborar as atividades?

Até entender o procedimento levou um bom tempo.

Um momento bastante significativo, no processo de elaboração do material,

foi a reformulação da atividade, “arrumar” o texto, mesmo antes da aplicação, em

virtude da aplicação da atividade anterior trazendo informações sobre a necessidade

de mudança.

Os principais resultados sobre a aprendizagem dos alunos, em relação à

estrutura interna do alto-forno, podem ser resumidos na compreensão de que: o

minério deve ser colocado parte de cima do AF para que, ao cair, sua temperatura

vá aumentando e que a saída de ferro-gusa fica na parte de baixo; para o minério

derreter precisa receber calor dos gases que sobem; o lugar no AF de maior

temperatura é a sua região inferior; é possível identificar as temperaturas pelas

diferentes cores; AF deve ter ventaneiras para controle de temperatura.

Em relação aos conteúdos da física, a grande maioria dos alunos entenderam

que: quanto maior a massa precisa-se de mais calor para sua mudança de fase;

para ocorrer a fusão de uma substância é necessário uma quantidade de calor

mínima; menor temperatura significa menor energia térmica; gases aquecidos da

atmosfera têm baixa densidade e o seu movimento é para cima, o vento se forma

pela diferença de pressão; há uma relação do fluxo de calor com espessura do

material; material com alto calor específico (como a água) necessita de mais calor

para elevar sua temperatura e também demora mais para esfriar do que um material

com calor especifico menor (como a areia).

Também, pelas respostas dos alunos, estimo o aumento na compreensão do

papel econômico e social que desenvolve a siderúrgica na região e país.

Os PCNs, PCN+, CBC descrevem a situação real do ensino de física no Brasil

apontando que ele desperta pouco interesse dos alunos, desatualizado, restrito a

poucos domínios e usando de poucas habilidades (resolução de exercícios). Muita

física que faz parte da vivência do aluno não se ensina como a física dos

86

transportes, da medicina, da arquitetura, da agricultura e do céu. Podemos dizer que

o que está sendo ensinado está na contra mão. Nesse contexto, essa pesquisa é

uma pequena contribuição, que foi realizado como proposição para um ensino de

física mais significativa e libertadora na concepção de Paulo Freire.

87

REFERÊNCIAS

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88

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89

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90

ANEXOS

ANEXO A

INTRODUÇÃO

Este texto explica bem no detalhe o funcionamento do AF e dos

equipamentos ligados a ele (quer dizer da animação do AF Nº1 da Gerdau Açominas

em anexo neste trabalho).

O objetivo maior é mostrar ao professor de física que há muitos fenômenos

físicos envolvidos neste processo de funcionamento do AF. Com isso, o texto

facilitará para o professor que não entende desse processo siderúrgico aprendê-lo.

Pois, observando apenas a animação muitos conteúdos importantes da física

certamente não iriam ser percebidos.

O professor deve primeiramente ver a animação do AF. Que ele vem a ler

este trabalho (texto) e que possa usar a animação como uma alternativa para

ensinar aos alunos certos fenômenos físicos de maneira diferente, podemos assim

dizer. Para que os alunos possam alcançar uma melhor aprendizagem.

A proposta é proporcionar aos alunos e professores o ensino da física mais

prazerosa. Tornar as aulas de física mais aplicada à tecnologia, mostrar a física de

outro cenário, uma nova opção para o professor dinamizar suas aulas. Pois certos

fenômenos tratados nos livros textos vão ser discutidos em novo âmbito. Além de o

aluno aprender física de maneira diferente, lúdica, associar o ensino da física com o

aprendizado de como se obter o ferro gusa numa siderúrgica. Atendendo a proposta

dos parâmetros curriculares nacionais.

Através deste material o professor deve explorar os conceitos de temperatura, calor,

densidade e pressão.

Alto-Forno

É uma construção que pode apresentar tamanhos distintos, interior de

material refratário [Pode ser estudado em: 1) Mudança de fase - Temperatura de

Fusão do material refratário; 2) Transferência de calor por condução.] e

externamente por uma carcaça metálica. Dele se obtém o ferro gusa seu principal

91

produto advindo do derretimento do minério de ferro. É um reator metalúrgico. [Pode

ser estudado em: Conservação da energia-Princípio geral de conservação de

energia; Como a palavra reator faz lembrar o reator nuclear - Fazer uma

comparação do reator metalúrgico com um reator nuclear].

A matéria prima do ferro-gusa entra pelo topo na temperatura ambiente. Os

componentes são:

- Minério de ferro - 87% de sinter e 13% de granulado;

- Combustível/redutor sólido - coque e finos de carvão mineral;[ Fontes de Energia-

Energia não renovável].

- Fundentes - cal, calcário, quartzo ou quartzito, dolomita, dunito, serpentinito.

- Adições corretivas - minério de manganês, minério de Ti (ilmenita).

Numa parte bem inferior do AF (Alto-Forno), de fora para dentro é soprado ar quente

pelas ventaneiras [1ª Lei da Termodinâmica - Energia interna. Fazer a pergunta aos

alunos: Qual a vantagem de soprar um ar já quente para dentro do AF? (Em termos

da 1ª Lei da Termodinâmica) ] (500 a 1200 ºC ou mais), causando a queima do

coque gerando gases em alta temperatura. Esses gases sobem e encontram com o

minério que desce, reagindo, reduzindo e fundindo, originando o ferro-gusa e escória

(armazenados no cadinho), poeira e gases no topo, depois de sofrerem muitas

reações químicas.

A matéria prima lançada no topo do AF desce a uma velocidade [Estudo dos

movimentos - MRU e MRUV. Transforme essa velocidade para km/ h e m/s. Uma

pessoa caminhando será que tem maior velocidade que a carga que desce no AF?

Com valores de velocidade e tempo, dá para estimar a altura desse AF?] de 8 a 15

cm por minuto, levando um tempo de 6 a 8 horas para chegar à parte inferior.

A carga sólida que abastece o AF é devidamente preparada na casa de

silos, passada em peneiras e balanças antes de serem transportadas

periodicamente por correias para as tremonhas no topo do AF. Lançada a carga do

alto, recolhe o ferro-gusa e escória líquida na parte de baixo, e as ventaneiras

ininterruptamente injetam ar quente e carvão pulverizado logo após saem pelo topo

os gases e particulados.

Quando vazam o ferro-gusa e escória por um canal, eles se separam por

terem densidades [Hidrostática – massa específica. Fazer a pergunta aos alunos:

Quem tem maior densidade, ferro-gusa ou escória líquida?] diferentes, indo a

escória para um poço e o ferro gusa para os carros torpedo e dali para a aciaria.

92

Os gases que são obtidos nas regiões inferiores do AF através da reação de

combustão do carvão pulverizado, com o oxigênio do ar de combustão, sobem e

reagem com a carga que desce, reduzindo-a. A queima do carvão com o oxigênio e

as reações químicas que surgiram liberam calor para a carga metálica que desce

fundindo-a.

A massa de minério que desce no AF é equilibrada [- Primeira lei de Newton

(Equilíbrio de uma partícula - condição de equilíbrio de uma partícula). Discutir com

os alunos os tipos de equilíbrio e a condição para uma partícula estar em equilíbrio. ]

pela pressão dos gases que sobem. Se o processo for devidamente controlado na

subida dos gases, [Trocas de calor – fenômeno da condução e convecção] eles

perdem calor para a massa de minério que desce, abandonando o forno a uma

temperatura de 80 a 200 ºC. Veja figura 18.

Figura 19 - As diversas temperaturas dos gases no AF.

Fonte: RIZZO, 2009

No topo do AF a pressão dos gases é controlada por um conjunto de válvulas

(Bleeders), que também permite o fluxo contínuo desses gases.

93

Os gases ao saírem do AF são direcionados para uma área em que eles serão

purificados, retirados pó (no balão gravimétrico) e lama (nos venturis), dessa forma

eles poderão ser usados como combustível. Partes desses gases vão para os

regeneradores para serem queimados e aquecer o ar de combustão para entrar no

AF.

Ressaltamos que em termos de eficiência energética, [ -Conservação de

energia

Primeiramente é bom pedir para os alunos fazerem uma pesquisa para

saberem ou ter uma idéia do que é eficiência energética. Aí [discutir com eles sobre

o que se “gasta” de energia no AF e o que se obtém de energia.] os gases gerados

dentro do AF são utilizados em várias partes da usina para gerar energia elétrica na

turbina de topo de AF, aquecimentos dos fornos de laminação e coqueria e

queimados nos regeneradores para aquecimento do próprio AF.

O AF trabalha de forma sequencial não devendo ter paradas a não ser para

reposição de certos equipamentos considerados cruciais para manter o pleno

funcionamento do mesmo. Essas paradas duram em média 24 horas e ocorrem de 3

a 6 meses.

Para uma reforma completa do AF (encerramento de campanha), para

reposição de todo o material refratário ocorre num período de 10 a 20 anos e pode

durar 6 meses.

As Regiões do Alto-Forno

Sobre a estrutura física do AF, cita (E.M.S. Rizzo. P.21):

O corpo do AF é construído de chapas de aço soldadas. Esta estrutura deve suportar elevadas pressões [-Energia cinética média das moléculas de um gás. - Pressão. [Pode-se discutir com os alunos que a pressão que está submetida o AF uma pequena parcela é em decorrência dos choques das moléculas do gás contra as paredes do AF.] oriundas da operação do equipamento e de seu refratário (dilatação), [dilatação dos sólidos (dilatação volumétrica] além de tensões térmicas[Dilatação dos Sólidos - As regiões aquecidas tendem a se dilatar, mas esta dilatação é dificultada pelas partes adjacentes submetidas a temperaturas menores, o que resulta no desenvolvimento de deformações elásticas e plásticas no material aquecido. ] e mecânicas do carregamento e descida da carga. Também deve permitir a confecção de vários cortes para instalação de sistemas de refrigeração e monitoramento do processo sem que ocorra a sua fragilização.

94

É costume dividir o AF em cinco regiões: goela, cuba, ventre, rampa e

cadinho, vejam figura a seguir.

Goela

Compreende a região do topo do AF, onde é feito o abastecimento e

distribuição da matéria, chapas de aço são usadas internamente para revestimento

da parede da goela para não estragar o refratário devido ao atrito [-Primeira lei de

Newton (Força de atrito).] contínuo na entrada da carga. E uma calha rotativa

distribui do alto o material para o interior do AF.

Cuba

É a região de maior volume no AF. Tem formato de tronco de cone e seu

interior é de tijolos refratários do tipo sílico aluminoso ou carbeto de silício.

Ventre

É a região de maior diâmetro no AF e de formato cilíndrico. Os tijolos

refratários [Fluxo de calor por condução] nessa região têm espessura de 800 a 1000

mm e fica sujeito ao atrito da carga metálica que desce. É usado um sistema de

refrigeração [-Dilatação dos sólidos; -Propagação do calor -Calor específico do

refratário ] nessa região para aumentar a durabilidade dos materiais.

Rampa

É a região de maior desgaste devido ao atrito. [Pode ser estudado em:-

Primeira lei de Newton (Força de atrito). Pode fazer uma analogia com a

hidrodinâmica onde há viscosidade (atrito) entre o líquido e o recipiente onde ele

está fluindo.] Sua forma de tronco de cone ajuda no sustento da carga e o refratário

de carbono com espessura de 500 a 800 mm. Também um sistema de refrigeração

é usado na rampa.

95

Cadinho

Onde ficam depositados ferro gusa e escória no estado líquido por certo

tempo. Tem forma cilíndrica com tijolos refratários de carbono. É no cadinho que é

feito furo para vazamento de ferro-gusa e escória líquida.

Figura 20 - Regiões de um AF

Fonte: RIZZO, 2009

Em um AF há separações de volumes. Volume útil ou de trabalho

compreende desde as ventaneiras até ao nível de carga. Volume interno

compreende desde o furo de gusa no cadinho até ao nível de carga e o volume total

do AF desde o fundo do cadinho até ao nível de carga, veja figura 19.

AF com volume interno menor que 1500 m3, entre 1500 m3 e 3000 m3 e acima de

3000 m3 são considerados respectivamente como pequeno, médio e grande. Como

o Alto-Forno1 da Gerdau Açominas tem volume interno de 3051 m3, ele é

classificado como de grande porte.

As ventaneiras sopram ar de combustão para dentro do AF, injetam carvão

[Discutir com os alunos, Por que o carvão? Quais as propriedades (físicas e

químicas) do carvão para esse uso?] pulverizado e situam na parte superior do

96

cadinho. São 28 ventaneiras, seu material é o cobre, elas adentram 500 mm no

interior do forno e submetidas a altas temperaturas, por isso possuem um sistema

de refrigeração com água na vazão de 300 a 500 litros/minuto de alta pressão.

[Pode ser estudado em:- Transferência de calor-condução;-Mudança de fase -

temperatura de fusão. -Vazão. ]

Antes do ar de combustão chegar as ventaneiras ele passa por um tubo

revestido internamente de material refratário chamado algaraviz. E do lado há um

visor de vidro que resiste a altas pressões e temperaturas que tem várias utilidades

e uma delas é avaliar o estado térmico do AF através da luminosidade da zona de

combustão. [Pode ser estudado em:- Transferência de calor (radiação). - Óptica (luz

e cor) ] Trabalho que é realizado por um profissional experiente e observador.

O ar de combustão aquecido nos regeneradores é enviado para o anel de

vento que é um tubo que envolve o AF, passa pelo algaraviz e daí para as

ventaneiras onde é soprado. Tudo isso é feito de material refratário para evitar as

perdas de calor. O anel de vento não é fixado no AF para permitir sua livre expansão

devido a variações na temperatura do ar transportado. [Dilatação dos sólidos -

condução. Dar o exemplo também que algumas pontes são construídas sobre rolos.]

As zonas no interior do Alto Forno

A estrutura interna do AF é dividida em zonas. Veja figura a seguir.

Figura 21 - Zonas no interior de um AF.

Fonte: RIZZO, 2009

97

Zona granular (zona seca)

As substâncias são lançadas do topo do AF pela calha rotativa

alternadamente e desce mantendo essa característica de camadas. Nessa região

existe apenas dois estados físicos, sólido e gás e a carga de minério de ferro que

desce tem que ter as medidas na faixa de 5 a 50 mm. Abaixo de 5 mm dificulta a

passagem do gás através da carga. Também não deve ser grosso para dar tempo

de acontecer a reação de redução dos óxidos de ferro (Fe2O3, Fe3O4 e FeO).

Zona de amolecimento e fusão ou zona coesiva

Nessa região os gases têm mais dificuldade em subir em virtude do minério e

o sinter já estarem em estado de amolecimento e suas moléculas são mais coesas.

Com isso o movimento dos gases é horizontal e faz com que esta zona venha a

suportar a carga no interior do AF. O coque por ter maior ponto de fusão ainda está

no estado sólido.

Como cita (E.M.S. Rizzo P.29)

Esta zona situa-se na faixa de temperatura entre o início de amolecimento e a fusão da carga metálica, [Diagrama de fase dos materiais que são colocados no topo do AF] correspondendo a uma faixa típica de temperatura de 1100 ºC a 1450 ºC, com, normalmente, maiores gradientes de temperatura na direção horizontal do que na direção vertical. Nesta zona existe uma região denominada de zona de reserva térmica , [Leis da fusão- (na mudança de fase a temperatura é constante).] onde a temperatura, tanto da carga como do gás, é constante (mais ou menos 1000 ºC). Ressalta-se que a reação de gaseificação do carbono é altamente endotérmica e provoca resfriamento do fluxo gasoso.

Zona de gotejamento

Nessa região o único elemento sólido é o coque que se move em direção as

ventaneiras onde vai ser consumido pela reação de combustão (queima), chamado

assim região de coque ativo. Mais abaixo dessa região encontra-se a região de

coque estagnante ou “homem morto”, correspondente aquele coque que não foi de

encontro às ventaneiras e vai ser fundido pelo ferro-gusa líquido do cadinho.

(E.M.S. Rizzo P.29) aborda:

98

O homem morto tem sobre si grande parte do peso de toda coluna de carga do AF e, dependendo da relação de forças entre o peso da carga e o empuxo exercido pelo ferro-gusa líquido, escória líquida e ar soprado, pode ou não ser apoiada no fundo do cadinho. Observa-se que na zona de combustão, a força peso da carga é contrabalanceada pela força ascendente do fluxo gasoso. Este fenômeno gera uma força resultante de sólidos sobre a superfície do líquido, abaixo da zona de combustão, muito maior do que a atuante no centro do forno.

Zona de combustão [Pode ser estudado em:-Transformação de energia.]

Em frente às ventaneiras situa-se esta região. O ar aquecido injetado pelas

ventaneiras queima o coque,[ Máquinas Térmicas - Quando se queima o

combustível (ar mais coque), pode-se falar no motor a explosão. Pode-se também

fazer uma pergunta: Por que o gás que é produzido dentro do AF não é queimado lá

dentro? ] originando gás e enorme quantidade de calor. E esse gás que sobe

transfere calor para a carga que desce e promove reações de redução.

Também é uma região conhecida por ser parcialmente vazia em virtude da

grande energia cinética do sopro de ar quente proporcionado pelas ventaneiras a

uma velocidade de 180 a 280 m/s e pressões de 3 a 5 kgf/cm2.[ -Energia cinética;

-Pressão;- Mov. Retilineo (Transformar velocidades). Qual a relação entre

kgf/cm2 e atm? Então quantas vezes esta pressão é maior que a pressão

atmosférica ao nível do mar? [Compare também com uma panela de pressão em

que a áqua está em ebulição.] O gás CO formado nessa região apresenta

temperatura de 2100 a 2300 ºC.

Sobre a zona de combustão (E.M.S. Rizzo P.30) escreve:

Em relação à dimensão da zona de combustão sugere-se que esta é mantida pelo equilíbrio dinâmico [Pode ser estudado em: -Primeira lei de Newton (Equilíbrio de partícula).] do processo, onde a camada de redutor, acima da zona de combustão, permanece em fluidização incipiente, tal que a força de arraste do gás seja igual ao peso da carga acima.

Após passarem pela região do homem morto, última fase sólida, as

substâncias derretidas se depositam no cadinho, que são o ferro-gusa e escória.

Pelos furos do AF a escória e o ferro-gusa são vazados e passam por um canal de

material refratário com desnível onde se separam por diferença de massa específica

[Massa específica. Transformar a massa específica do ferro-gusa e escória para

99

g/cm3 e comparar, por exemplo, com a da água, mercúrio, ouro, platina etc.] (6,8 a

7,2 e 1,5 a 2,4 t/m3 para o ferro-gusa e escória respectivamente), indo a escória para

um poço onde é granulada com jatos d água a alta pressão e o ferro-gusa para os

carros torpedo.

A retirada do ferro-gusa e da escória do cadinho deve ser regular e altamente

controlada. Pois, havendo acúmulo em excesso de ferro-gusa e escória, afetará a

zona de combustão e até mesmo a descida da carga torna-se irregular e lenta,

causando superaquecimento e até derretimento das ventaneiras.

Substâncias produzidas no Alto-Forno

Ferro-Gusa

É a principal substância produzida no Alto-Forno. É transportado para Aciaria

no estado líquido para fabricação do aço.

O ferro-gusa líquido e a escória obtida no AF são recolhidos, e por diferença

de densidades são separados no canal de material refratário, indo o gusa para os

carros torpedo seguidamente para a aciaria e a escória para o poço ou granulador

de escória.

Os carros torpedo têm forma cilíndrica de extremos de tronco de cone e são

basculáveis. Seu interior é de material refratário tendo a capacidade de manter o

gusa líquido em tempos superiores a 30h. Conforme a sua geometria perde pouco

calor para o ambiente e cada carro torpedo transporta 500 toneladas de ferro-gusa

líquido.

E nesse transporte do ferro-gusa líquido, é dado um superaquecimento no

gusa estando ele ainda no cadinho para que ele não venha a solidificar no carro

torpedo.

Como cita EMS Rizzo p. 55, o grau de superaquecimento depende de vários

fatores, como por exemplo,

[...] do volume de ferro-gusa líquido transportado nos carros torpedo, da quantidade destes recipientes disponíveis e em ciclo na usina, da própria composição do ferro-gusa (temperatura de início e final de solidificação), do layout da usina siderúrgica, da capacidade de produção especificada do AF e da produção e produtividade objetivadas, inclusive o consumo de combustível.

100

Gás de Alto-Forno

O volume de gás gerado no AF é muito grande e eles não são jogados na

atmosfera para não poluir o ar. São limpos para depois serem usados. Nesse

processo de limpeza coleta-se pó e lama que são usados posteriormente. Ao serem

limpos reduz-se a porção de partículas do gás para nível de 0,005 a 0,015 g/Nm3 ou

menos para se enquadrar a legislação ambiental da região.

Pó de Alto-Forno

O gás de AF é volumoso e contém muitas partículas sólidas.

Um dos processos de purificação é a sedimentação a seco, onde a

substância mais densa fica no fundo do balão. No material retido 25 a 40% é Fe, 40

a 45% C, 5 a 7% de SiO2 e de 2 a 4% de CaO. Mas essa porcentagem varia de

acordo com a substância empregada no AF.

Se fosse o coque seria de 6 a 17 kg/t de ferro-gusa produzido.

Depois que o GAF sofreu o primeiro processo de limpeza a sedimentação a

seco, acontecerá a lavagem dos gases, nos venturis, formando a lama de AF.

Estudos afirmam que de 30 a 50% das partículas do GAF deposita na lama.

Num AF a coque forma de lama 3 a 5 kg/t de ferro-gusa obtido.

O pó de AF é usada na sinterização11 e também vendido para fábricas de

cimento.

A lama também pode ser vendida para fábrica de cimento, para fábricas de

tijolos e telhas, pois devido a alta concentração de carbono favorece uma menor

quantidade de calor no cozimento das telhas ou tijolos, proporcionando economia de

combustível.[calor específico]

Escória de Alto Forno

A quantidade de escória e sua composição química dependem diretamente

da matéria-prima usada no AF. 11

Processo em que duas ou mais partículas sólidas se aglutinam pelo efeito do aquecimento a uma

temperatura inferior à de fusão, mas suficientemente alta para possibilitar a difusão dos átomos das

duas redes cristalinas.

101

Para AF a coque a massa de escória é normalmente de 250 kg/t de ferro-

gusa e de 100 a 220 kg/t de ferro-gusa para AF a carvão vegetal.

O principal produto do AF é o ferro-gusa. A escória de AF, o pó de AF e o

GAF são considerados co-produtos ou resíduos.

Há o interesse muito grande das usinas siderúrgicas em reciclar os resíduos e

isto é motivado pelo crescente número de ambientalistas. O processo de

armazenamento em alguns casos dispensa altos recursos financeiros.

Também a ISO 14 000 estimula a reciclagem desses resíduos oriundo do AF.

Materiais da carga do Alto-Forno

- Minério de ferro - 87% de sinter e 13% de granulado;

- Combustível/redutor sólido - coque e finos de carvão mineral;

- Fundentes - cal, calcário, quartzo ou quartzito, dolomita, dunito, serpentinito.

- Adições corretivas - minério de manganês, minério de Ti (ilmenita).

Figura 22 - Exemplos das matérias-primas ferrosas. Minério de ferro granulado (in natura) e sinter

Fonte: Rizzo, 2009

Definições de alguns termos usados em mineração e geologia

(E.M.S.Rizzo,p. 67- 68)

102

Minério - é toda rocha constituída de um mineral ou agregado de minerais contendo um ou mais minerais valiosos, possíveis de serem aproveitados economicamente. Agregado de mineral-minério e ganga que, no estado atual da técnica, pode ser utilizado para extração econômica de um ou mais metais. Mineração - conjunto de procedimentos para descobrir, estudar, avaliar e extrair as substâncias minerais úteis existentes na superfície ou no interior da terra. Abrange quatro fases: prospecção, exploração, desenvolvimento e lavra ou explotação. Ganga – denominação utilizada para o mineral ou conjunto de minerais não aproveitados de um minério por não apresentarem valor econômico ou com pequeno valor, nas condições atuais de mercado e/ou tecnologia. Lavra - conjunto de operações necessárias à extração industrial das substâncias minerais ou fósseis de uma jazida; Rocha - material natural consolidado da crosta terrestre, formado essencialmente de minerais; Mina - Jazida em lavra, ainda que suspensa e/ou paralisada; correspondente ao conjunto constituído pela jazida e instalações necessárias à produção de minério ou seus concentrados.

O minério de ferro

São feitos testes de resistência ao sinter e ao granulado para suportarem ao

manuseio e transporte, até mesmo referente ao movimento dentro do AF.

Dentro do AF o minério pode sofrer o fenômeno da crepitação que consiste

nele não suportar ao choque térmico e sofrer fragmentação.[ Dilatação dos sólidos –

(Choque térmico)]

As medidas granulométricas do minério devem ser mantidas para uma boa

movimentação dos gases dentro do AF e não comprometer a produção do ferro-

gusa.

O coque

Algumas atuações do coque

Como combustível - quando acontece a combustão do coque há grande liberação

de calor que funde e aquece os materiais.

Como redutor - o CO obtido serve par retirar o oxigênio do sinter e do material

granulado.

103

Como agente estrutural e permeabilizador - o coque é sólido e permeável a

temperatura superior a 2000 ºC, e forma uma base de sustento da carga e facilita na

boa ascendência dos gases e descida do ferro e escória líquidos para baixo.

Por ter baixa densidade o coque ocupa o maior volume no AF e apresenta um

poder calorífico de 7009,20 cal/kg.

O ato de fazer o beneficiamento no carvão mineral transformando em coque chama-

se coqueificação e que o torna adequado par o uso no AF.

Figura 23 - Coque com granulometria adequada (a), e com excesso de finos (b).

Fonte: RIZZO, 2009

Fundente

Cal - é um fundente que adicionado ao AF evita a formação da ganga no ferro gusa.

As gangas contem impurezas como a sílica (ponto de fusão 1710 ºC) e alumina

(ponto de fusão 2030 ºC). Quando forma ganga no gusa aumenta sua viscosidade e

dificulta sua saída do forno. E quando se adiciona cal (fundente) o novo composto

formado apresenta menor ponto de fusão, acarretando liberdade de saída.[ -

Viscosidade.- Temperatura de fusão.]

104

Carregamento e descida da carga no Alto-Forno

É feito o controle da pressão dentro do AF, no sentido que os gases que

sobem permitem que a carga desça numa velocidade tal, que fique um bom tempo

em contato com esses gases, recebendo calor e reduzindo.

Fazendo o carregamento do AF (pelo topo) esses gases desejam sair em

meio a carga que desce. Providencias são tomadas e através de alguns

equipamentos esses gases são controlados.

O sistema de transporte da matéria prima para o AF é feito por correia

transportadora (correia principal). A mesma tem 300 m de distância e faz um ângulo

de 18º com a horizontal e move-se com velocidade constante de 3 m/s.. O ângulo é

de extrema importância nesse transporte. Pois senão a matéria prima pode entornar

na subida (dependendo do tipo de carga). [-Primeira e terceira lei de Newton.

(Estudo do plano inclinado - Força de atrito); - Movimento Retilíneo (movimento de

velocidade constante).]

Chegando a matéria prima no topo do AF ela cai na calha de distribuição

(calha móvel), onde é direcionada para uma das tremonhas que é um equipamento

de recebimento ou armazenamento de carga.

Figura 24 - Equipamentos do topo do AF

Fonte: RODRIGUES. Animação do Alto-Forno nº 1 da Gerdau Açominas.

105

Considere a calha móvel (calha de distribuição) direcionando a carga para a

tremonha da esquerda.

A carga caindo nessa tremonha, obviamente sua válvula superior estará

aberta e a inferior fechada. A tremonha então vai se encher e a válvula superior é

fechada. Aí acontece o fenômeno da equalização onde lateralmente sobe gás do AF

para dentro dessa tremonha para que a pressão no interior da tremonha seja igual a

pressão de dentro do AF.

Dando continuidade ao processo, e considerando a tremonha da direita

carregada. Ela vai descarregar abrindo sua válvula inferior. Acontecendo esse

descarregamento sua válvula inferior se fecha estando já a superior fechada aí

acontecerá de uma válvula se abrir e instantaneamente fechar e o gás que entrou na

tremonha enquanto ela descarregava ser enviado para atmosfera.

O processo continua e agora a tremonha da esquerda vai se descarregar ao

abrir sua válvula inferior repetindo o processo.

A descrição do carregamento do AF citada é chamada sistema Paul Wurth ou

duplo silo e nos AF mais recentes este sistema tem prevalecido.

Descida da carga no Alto-Forno

É feito um bom acompanhamento da descida da carga no AF. Segundo

(E.M.S.Rizzo P.157), algumas variáveis monitoradas:

Temperatura - da água de refrigeração, ar quente, refratários, carcaça metálica, gás de topo, chama na zona de combustão, ferro-gusa líquido, etc.; Pressões - de sopro, em vários níveis no interior e no topo, etc.; Fluxos - de ar soprado, injeções auxiliares, água de refrigeração, líquidos drenados, etc.; Análises químicas - do ferro-gusa, e da escória, dos materiais carregados (inclusive umidade), dos gases produzidos, etc.; Teor de particulados e composição dos gases emitidos pelas chaminés e ocorrência de emissões ambientais não desejadas; Variáveis de controle calculadas - rendimento de gás, temperatura de chama, velocidade de gás, basicidade escória, parâmetros de produtividade, etc.

A figura a seguir mostra onde são instalados os medidores para controle de

processo no AF.

106

Figura 25 - Representação esquemática de diversos tipos de sensores e de equipamentos instalados para monitorar e controlar vários parâmetros durante

a operação de um AF.

Fonte: RIZZO, 2009.

Feito as medidas das diversas variáveis citadas anteriormente, conhece as

seguintes condições do AF:

-Permeabilidade da carga;

-Distribuição radial da carga e do gás ascendente;

-Localização da zona de amolecimento e fusão;

-Distribuição circunferencial da carga e do gás; e

-A eficiência da transferência de calor e do grau de redução da carga.

Análise do gás de topo

O controle da temperatura do gás de topo é importante para se saber a altura

da zona granular ou de reserva térmica. Um aumento na temperatura significa que a

velocidade do gás está sendo grande o que acarreta queda no rendimento do gás.

[Influência da temperatura na densidade (gases).]

107

É necessária uma velocidade adequada dos gases para que eles tenham um

bom contato para troca de calor com a carga que desce.

O controle da pressão e da vazão dos gases que saem no topo é necessário

para o bom funcionamento do AF.

Características do sopro

“A temperatura de chama em um processo de combustão é diretamente

proporcional a, pelo menos, duas variáveis: a concentração de oxigênio do ar de

combustão e a temperatura do ar de combustão”. (RIZZO/2009).

O ar que chega aos regeneradores para ser aquecido é captado do ar

ambiente por aparelho Quando se passou a aquecer o ar frio (ar retirado do

ambiente pelo soprador), antes dele entrar no AF, muito contribuiu para economia de

combustível que era injetado no AF para ser queimado para ajudar a elevar a

temperatura do AF. O ar injetado pelas ventaneiras (ar quente) a alta velocidade

reage com o carbono (finos de carvão), liberando calor para esquentar a carga e gás

redutor para converter o minério de ferro em ferro metálico.

Para aquecimento do ar frio usam-se trocadores de calor [conservação de

energia] chamados regeneradores (do tipo Cowpers) que utiliza parte do gás que sai

do AF (BFG) e da coqueria (GOG) para ser queimado dentro deles, depois desses

gases serem limpos.

A temperatura da chama sendo elevada trás vários benefícios dentre eles a

menor quantidade de ar quente a ser soprada, menor quantidade de coque a ser

colocada no AF e aumento da produção de ferro-gusa.

Como cita (E.M.S.Rizzo P.165): chamado sopradores de ar frio acionado

por motor elétrico. Assim que esse ar é captado, tem-se uma válvula chamada Snort

que controlar o fluxo desse ar na tubulação.

Depois que o ar é aquecido nos regeneradores ele é encaminhado para o AF

por tubos refratários até a altura da rampa, no anel de vento (tubo que circula o AF)

e em seguida conduzido para o conjunto de sopro e daí pelas ventaneiras entrando

no AF.

Os regeneradores (Cowpers) recebem o ar ambiente elevando sua

temperatura para 1100 a 1350 ºC. Neste aquecimento os regeneradores gastam de

8 a 10% da energia para produção do ferro-gusa. (Consome-se em torno de 4.106

kcal de energia para produzir 1 tonelada de ferro-gusa).

108

Os regeneradores cowpers é formado por uma estrutura metálica cilíndrica,

revestida de material refratário e isolante. Contém uma câmara de combustão

interna (onde queima parte dos gases proveniente do próprio AF, depois de

purificado, e de gases vindo da coqueria) e uma câmara de aquecimento

[conservação de energia] para aquecer o ar extraído do ambiente pelo soprador.

[Troca de calor – (condução);-Calorímetro.]

Esses aquecedores de ar são altos para que a chama do gás queimado não

danifique os refratários do domo (cúpula) que tem a função de inverter o sentido do

movimento dos gases queimados e aquecer uma pilha de tijolos refratários. Esses

tijolos são perfurados e na pilha os furos devem coincidir para não atrapalhar o fluxo

dos gases e com isso evitar ineficiência dos regeneradores. [Calor específico e

Capacidade Térmica Fazer a pergunta aos alunos. Os tijolos refratários têm calor

específico e capacidade térmica alto ou baixo? ]

Depois que os gases foram queimados dentro dos regeneradores e perderem

energia, eles são conduzidos para a chaminé [Relação da pressão atmosférica com

a altura. Por que as chaminés são altas ? Porque quanto mais alto menor a pressão

atmosférica e aí os gases vão subir mais facilmente. Ainda se estiver vento ainda

melhora porque o vento vai como que sugar os gases.] para serem lançados na

atmosfera.

O custo dos regeneradores é elevado por possuir controle automático para

manter constante a temperatura do sopro de válvulas para que o ar quente ar de

combustão aquecido tenha vazão controlada.

O funcionamento dos regeneradores acontece da seguinte forma:

Combustão ou fase gás: os gases de AF, de coqueria e o ar de combustão (frio),

se misturam no queimador e começa a queima que termina na câmara de

combustão. O calor gerado é armazenado na câmara de aquecimento e os gases

queimados vão para a chaminé. (Veja fig. 25 (a)).

Ventilação ou fase vento: o sentido do fluxo de gás é inverso, o ar vindo do

soprador passa pela câmara de aquecimento recebendo calor dela.

Os revestimentos refratários dos regeneradores são submetidos a contínuos

choques térmicos devidos as fases de combustão e ventilação, nos ataques

químicos dos gases dentre outros, faz com que a escolha destes revestimentos seja

rigorosa. Veja (fig. 25 (b)).

109

AF com produção de até 4000 t/dia, normalmente usam 3 cowpers, sendo 2

na fase combustão e 1 em ventilação.

Há uma tubulação com ar frio do soprador que vai ligar com a tubulação de ar

quente que sai do regenerador. Vai ter fluxo de ar nessa tubulação se o regenerador

estiver com temperatura muito alta.

Figura 26 - Regenerador Cowpers com câmara de combustão interna, (a) fase gás e (b) fase vento.

Fonte: RIZZO, 2009

O AF1 da Gerdau Açominas usa três regeneradores e sua representação

esquemática pode ser vista na figura a seguir.

110

Figura 27 - Esquema do circuito de aquecimento do ar quente injetado no AF para 3 regeneradores

Fonte: RIZZO, 2009

Injeção de carvão pulverizado

Nas ventaneiras o carvão pulverizado e soprado junto com o ar quente na

zona de combustão queima e libera calor e gases. O calor serve para aquecer a

carga metálica e os gases (CO e H2) para reduzir.

Segundo E.M.S.Rizzo (P.179) “A temperatura da chama em si é determinada

pela taxa de carvão, pelo tipo de carvão, pela temperatura do vento quente, pela

umidade do vento quente e pelo enriquecimento de oxigênio”.

A injeção de finos de carvão conhecida por PCI (Pulverized Carbon Injection)

proporciona muitos benefícios, dos quais iremos citar dois como: a natureza

apresenta boa reserva de carvão e o uso dos finos de carvão diminui a poluição nas

coquerias que são tidas como alto poluidoras.

111

Coleta e Limpeza dos gases do Alto-Forno

A quantidade de gases gerado no AF é muito grande. Eles não podem ser

lançados na atmosfera por possuírem substâncias químicas que fazem mal à saúde

humana. Também carregam consigo muita poeira. Esses gases são passados por

um processo de coleta e limpeza para depois serem usados nos regeneradores, nos

fornos de coqueria ou laminação e na produção de vapor para movimentar a turbina

de topo gerando energia elétrica.

Para fazer a retirada dos particulados dos gases são usadas forças e a mais

simples é a gravitacional e em algumas situações ela é suficiente.

O primeiro instrumento de limpeza dos gases que saem do AF é o balão

gravimétrico ou balão de pó que faz a limpeza primária.

Esse balão contém uma parte cilíndrica de 10 m de diâmetro, seu interior é de

material refratário e exterior de estrutura metálica. A geometria desse balão

proporciona aos gases um movimento que os particulados de massas e

comprimentos maiores ficam no fundo do balão. [Pode ser estudado: Segunda lei de

Newton] Partículas com medidas maiores que 0,8 mm geralmente ficam retidos no

fundo do balão. Isto corresponde numa retenção de mais ou menos 60% do material

da poeira. Na retirada do pó é usado um sistema de válvulas duplas para não haver

variação na pressão da rede.

Quando o gás passa pelo sistema primário de limpeza, a legislação ambiental

não permite o uso desse gás, mesmo ele contendo menos de 2,5 g/m3 de poeiras.

É importante ressaltar que para garantir todo esse processo a quantidade de

água e energia empregada é alta, sendo a água fornecida com pureza, vazão,

temperatura e pressão controladas, tendo a empresa (Gerdau Açominas) um

excelente sistema de tratamento de água.

Depois dos gases sofrerem o processo de limpeza, uma boa parte passa na

Turbina de Topo [Conservação de energia (energia eólica) Fazer um cálculo

aproximado entre a energia elétrica gerada na turbina. Um dia de funcionamento da

turbina gera energia elétrica que da para suprir sua casa em quantos meses (dias)? ]

para gerar energia elétrica que é de extrema importância esse aproveitamento da

energia do gás. O uso desta turbina é viável para AF de boas dimensões e que

produz elevada pressão no topo. Nessa turbina são gerados 10210 kW de energia

para o forno que produz 7900 toneladas de ferro gusa por dia.

112

Controle da pressão do topo

O gás produzido no AF é um gás perigoso por ser inodoro mais denso que o

ar o que faz com que ele não suba na atmosfera.

Usam-se equipamentos para controlar a fuga desses gases de dentro do AF e

manter uma pressão para sustentação e controle da descida da carga dentro do AF.

Instrumentos que normalmente regulam a pressão do gás:

Válvula Septum - é uma válvula que serve para tirar a pressão da linha, é usada

muito para emergência.

Válvula bleeder - controla a pressão no AF quando diminui o volume de sopro.

Válvula de alívio - faz com que o interior da tremonha venha a ter a pressão igual a

da atmosfera.

Válvula MBV - é uma válvula de esfera que proporciona estanque nos dois sentidos

do fluxo de gás. De instalação rápida e simples, também facilita na medida da

pressão da rede.

Turbina do Topo - ajuda a controlar a pressão do topo do AF quando estiver

transformando energia. [-Geração de energia elétrica. A energia elétrica gerada na

turbina de topo durante um dia, da para suprir em quantos dias a energia elétrica

consumida e uma residência? ]

Revestimento Refratário do Alto-Forno

O AF é constituído internamente de material refratário cerâmico e

externamente de uma estrutura metálica. Para suportar as elevadas temperaturas

usa-se um sistema de refrigeração com circulação de água entre as chapas

metálicas e o revestimento refratário. Isto diminui e mantém uma temperatura

suportável nas paredes do AF, garantindo até mesmo maior tempo de vida do

revestimento refratário.

Também um conjunto de termômetros (termopar) [Pode ser estudado em:

-Termometria. Como funciona o termopar, qual a sua propriedade termométrica. ] é

utilizado para acompanhar a mudança de temperatura do refratário, da estrutura

113

metálica e até mesmo do sistema de refrigeração, fazendo com que a vida útil dos

equipamentos seja preservada.

A escolha do material do refratário a ser usado no AF é importante, pois terá

que resistir a elevadas temperaturas (dilatações), [Pode ser estudado em: Dilatação]

esforços mecânicos (impactos, atrito pelo movimento do gás e carga), esforços

termomecânicos (choque térmico) e corrosão química por diversos gases. Na região

da goela e da cuba usa refratário de material sílico aluminoso e na região do ventre

e da rampa usa material de carbeto de silício.

Já no cadinho o material é carbono (material de alta condutividade térmica, 8 w/m.k,

a 1000 ºC, o que o torna fácil de ser resfriado), compreendendo blocos quadrados

de 1 a 3 m de largura.

A espessura do material refratário é variada, na região da cuba de 600 mm

até 800 mm. Nas regiões inferiores usa refratários de até 2000 mm ou mais de

espessura. Isto também vai depender do tipo de refrigeração usado. Veja fig. a

seguir.

Figura 28 - Esquema de revestimento refratário de um AF.

Fonte: RIZZO, 2009

114

Refrigeração do Alto-Forno

Para preservação da estrutura física do AF são usados nos refratários e

estrutura metálica, um sistema de refrigeração constituído de caixas ou placas de

refrigeração e stave cooler .[Pode ser estudado em:-Dilatação dos sólidos;-

Trocadores de calor.]

Placas de refrigeração [Pode ser estudado em Transferência de calor (fluxo)]

Essas placas são de ferro fundido, aço ou cobre, tendo o cobre melhor

condutividade térmica. Usadas entre os tijolos refratários e resfriados por água. Por

possuir contato direto com os tijolos possuem boa eficiência na refrigeração.

Sua desvantagem é referente à preservação de vazamento de gás, pois elas

necessitam de boa abertura na carcaça do AF.

Stave Cooler

Em volta de todo AF, entre sua estrutura metálica e o revestimento refratário,

está instalado um sistema de refrigeração a água de alta pressão chamada Stave

Cooler, usando cobre e ferro fundido. Veja fig. a seguir.

Na região do cadinho, região quente, o material é de ferro fundido. Em outras

partes menos quentes o material é de cobre por ter menor ponto de fusão que o

ferro fundido. [Pode ser estudado em:- Temperatura e estado da matéria (ponto de

fusão e ebulição); - Propagação do calor.]

O uso do Stave Cooler tem consideravelmente aumentado a durabilidade do

revestimento refratário nos AF.

115

Figura 29- Stave Coller do AF1 da Gerdau Açominas

Fonte: RODRIGUES. Sistema de Refrigeração Staves Cooler da Gerdau Açominas

Controle do nível térmico do Alto-Forno

A produção do ferro-gusa no AF é um processo contínuo num recipiente

fechado.

O controle do nível térmico é de extrema importância para a usina siderúrgica.

Não acontecendo, pode ter prejuízos elevados na produção e de capital.

Variáveis que podem afetar o nível térmico do AF, como cita (Rizzo. Pag.218)

- Vazamento de água;

- Descida irregular de carga; - Erro no cálculo do leito de fusão; - Erro na aferição e/ou calibração de balanças; - Erro na compensação de umidade; - Variações nas características das matérias-primas.

Mudanças em uma dessas variáveis podem causar sérios danos no nível

térmico do AF.

116

A maior referência para controle do nível térmico do AF é a temperatura do

ferro-gusa quando em vazamento, mas outros aspectos (variáveis de observação)

no ferro gusa podem ser utilizados como: teor de silício, teor de carbono, teor de

enxofre, teor de manganês e análise química da escória.

Analisando outras variáveis pode-se prevenir a variação no nível térmico do

AF, [- Sistema e Vizinhança. Para estudar a variação do nível térmico do AF,

podemos considerá-lo como sistema.] citando algumas:

Pressão do topo - mudança na pressão do topo do AF pode indicar variação no

nível térmico do AF.

Temperatura dos refratários ou cuba - com termopares faz-se a medida da

temperatura dos refratários de modo que se teve relevante variação na temperatura

poderá esperar variação no nível térmico do AF.

Temperatura do gás de topo [Pode ser estudado em 1ª Lei da Termodinâmica] -

Uma diminuição na temperatura do gás do topo vai haver redução no nível térmico.

Um aumento de temperatura decorre, por exemplo, de forno engaiolado, distribuição

irregular de carga ou forno vazio, aí se deve analisar com cuidado essa variável

porque outros fatores a afetam como exemplo umidade do combustível/redutor.

Avaliação de aspectos visuais - através de funcionário experiente e bem treinado

pode-se observar a escória, o ferro-gusa líquido e as ventaneiras e principalmente

pela cor saber a situação do nível térmico do AF. [Pode ser estudado em:-

Propagação do calor (radiação); Óptica: Luz e cor; - variação da cor da radiação

com a temperatura (radiação de cavidade)]

Veja algumas citações de (Rizzo, Pag.220):

Quando a escória apresenta cor branca e com bom escoamento, [Pode ser estudado em viscosidade] o forno está quente, escória de cor cinza, o forno está normal, escória de cor verde e agarrando nos canais, forno esfriando ou arriamento e escória com aspecto queimada, forno frio. Um ferro-gusa com coloração brilhante e esbranquiçada, com intensa radiação de calor e escoamento viscoso, devido ao aumento do teor de silício, indica um nível térmico elevado. Um ferro-gusa com coloração clara e sem problemas de escoamento indica um nível térmico moderado. Já quando o ferro-gusa apresenta coloração avermelhada, sem gerar fagulhas e sem problemas de escoamento, indica um nível térmico baixo. Na prática, normalmente se

117

associa um brilho intenso e de cor esbranquiçada no bico do algaraviz com um forno em boas condições de nível térmico. Um bico com brilho forte indica um forno com nível térmico moderado. Quando os bicos assumem a aparência sem brilho e cor avermelhada, indica forno esfriando ou intervalos de corrida muitos grandes.

Drenagem do cadinho - há perda de temperatura no AF pelo sistema de

refrigeração se houver acúmulo de escória ou ferro-gusa no cadinho (cadinho mal

drenado). Esse acúmulo também ocasiona um maior empuxo, [Pode ser estudado

em: - Teorema de Arquimedes;] proporcionando compressão da zona de

gotejamento, aumentando a pressão e dificultando o fluxo gasoso.

118

ANEXO B

Conteúdos de Física contido nos textos do Anexo A

1- Temperatura e escalas termométricas;

2- Dilatação dos sólidos;

3- Transformação isobárica (influência da temperatura na densidade);

4- Modelo molecular de um gás (interpretação cinética da temperatura);

5- O calor como energia;

6- Transferência de calor;

7- Capacidade térmica e calor específico;

8- Sistema e vizinhança;

9- A primeira lei da termodinâmica;

10- Calorímetro;

11- Mudanças de fase (fusão e vaporização);

12- Diagrama de fases;

13- Movimento Retilíneo

14- Primeira Lei de Newton;

15- Segunda Lei de Newton;

16- Terceira Lei de Newton;

17- Pressão e massa específica;

18- Pressão atmosférica;

19- Teorema de Pascal;

20- Teorema de Arquimedes;

21- Viscosidade;

22- Vazão;

23- Energia cinética;

24- Conservação da energia;

25-Tema Transversal (saúde e meio ambiente);

26- Gerador de energia elétrica.

119

TABELA 4 – Competências e Habilidades

CONTEÚDOS

COMPETÊNCIAS HABILIDADES

1- Temperatura e escalas termométricas;

• Estimar a temperatura nas regiões do AF e no interior dos regeneradores. • Utilizar das escalas termométricas para transformar temperaturas. • Identificar dentre os diferentes tipos de termômetros aquele mais adequado a ser usado. • Descrever a temperatura de um corpo e sua medida, utilizando escalas termométricas.

• Saber conceituar temperatura. • Saber que a temperatura de um corpo é uma grandeza que está associada à sua energia interna. • Saber que existem vários tipos de termômetros com várias finalidades. • Saber usar as principais escalas termométricas. • Saber que pela cor (das ventaneiras, do ferro líquido e da escória) corresponde uma temperatura.

2- Dilatação dos sólidos;

• Identificar num fenômeno em que a temperatura está variando, qual dos três casos de dilatação dos sólidos está ocorrendo; • Associar as tensões térmicas à dilatação dos corpos. • Associar o uso do sistema de refrigeração do AF para minimizar a dilatação e durabilidade dos materiais. • Calcular e relacionar grandezas que caracterizam dilatação.

• Compreender que a dilatação

de um corpo está associada ao aumento da distância média entre as partículas devido ao aumento da vibração das partículas que o compõem. • Compreender que a dilatação de um corpo depende da sua dimensão inicial, da variação de temperatura e do material. • Compreender o choque térmico. • Entender que num AF acontece a dilatação volumétrica; • Entender o que é tensão térmica. • Saber que se um corpo sofrer uma grande variação de temperatura em um pequeno intervalo de tempo ele pode

sofrer danos físicos.

3- Transformação isobárica (influência da temperatura na densidade);

• Associar a subida dos gases no AF a uma transformação isobárica em que V α T

• Saber que um aumento na temperatura do AF, a densidade dos gases vai diminuir e vai aumentar sua velocidade, acarretando menor eficiência dos gases.

120

Continuação...

CONTEÚDOS

COMPETÊNCIAS HABILIDADES

4- Modelo molecular de um gás (interpretação cinética da temperatura);

• Utilizar o modelo cinético das moléculas para explicar as propriedades térmicas das substâncias, associando-o ao conceito de temperatura à sua escala absoluta.

• Compreender que quanto maior a energia cinética das moléculas dos gases que estão dentro do AF, maior é a pressão nas paredes internas do AF.

5- O calor como energia;

• Reconhecer o calor como uma forma de energia.

• Saber transformar as unidades de energia.

6- Transferência de calor;

• Reconhecer trocas de calor envolvidas nesse processo tecnológico de produção do ferro-gusa. • Identificar materiais bom e mal condutor de calor.

propriedades térmicas dos materiais e os diferentes processos de troca de calor, identificando a importância da condução, convecção e irradiação nesse processo tecnológico. • Relacionar grandezas que caracterizam a condução. • Identificar diferentes tipos de radiações presentes nesse processo siderúrgico e sua utilização. • Associar a cor de um objeto a sua temperatura.

• Saber que calor é uma forma de energia que passa de um corpo para outro devido apenas à diferença de temperatura entre eles. • Saber que os materiais refratários possuem baixa condutividade térmica. • Saber que quando dois corpos com diferentes temperaturas estão em contato o de maior temperatura vai ceder calor para o de menor temperatura. • Compreender que um gás, quando aquecido, se expande, diminuindo sua densidade, e sobe devido ao empuxo. • Saber que quanto maior a espessura dos tijolos refratários do AF, menor é a perda (fluxo) de calor de dentro para fora do AF. • Saber que as placas de refrigeração são de materiais de boa condutividade térmica para melhorar o fluxo de calor.

7- Capacidade térmica e calor específico;

-Identificar propriedades térmicas dos materiais que justificam a escolha apropriada de objetos com diferentes finalidades.

• Saber que o calor específico de um material está relacionado à facilidade ou dificuldade dele receber ou doar calor. • Reconhecer através do calor específico de um corpo se ele é bom recebedor e doador de calor ou se ele é mal recebedor e doador de calor.

121

Continuação...

CONTEÚDOS

COMPETÊNCIAS HABILIDADES

8- Sistema e vizinhança;

• Identificar num fenômeno termodinâmico o sistema e a vizinhança.

• Saber distinguir sistema de vizinhança.

9- A primeira lei da termodinâmica;

• Reconhecer que quanto mais ar quente é soprado pelas ventaneiras para dentro do AF, maior poderá ser a energia interna deste. • Identificar e relacionar grandezas que afetam a energia interna (nível térmico) do AF. • Compreender os princípios fundamentais da termodinâmica que norteiam a construção e o funcionamento das máquinas térmicas.

• Compreender o primeiro princípio da termodinâmica: a quantidade de calor fornecida a um sistema é igual ao trabalho que ele realiza mais a variação de sua energia interna. • Compreender que ao soprar ar quente pelas ventaneiras pode aumentar a energia interna (nível térmico) do AF.

10- Calorímetro;

• Associar a câmara de aquecimento dos regeneradores a um calorímetro, onde há troca calor.

• Entender que a câmara interna dos regeneradores pode ser comparada com os calorímetros. E que em todo calorímetro o calor total liberado pelos corpos que se esfriam é igual ao calor total absorvido pelos corpos que se aquecem.

11- Mudanças de fase (fusão e vaporização);

• Compreender as leis que regem as mudanças de fase. • Associar a mudança de fase a uma absorção de calor ou perda.

• Saber estimar a temperatura de fusão de um material refratário. • Saber que numa mesma fase a temperatura de fusão e ebulição de uma substância pura é constante. • Saber que a pressão modifica a

temperatura de fusão e ebulição

das substâncias.

12- Diagrama de fases;

• Relacionar a mudança de fase a uma variação na temperatura e/ou pressão.

• Saber representar graficamente

a curva da pressão x temperatura dos materiais que compõe a carga metálica que coloca no topo do AF e mostrar como varia o estado da matéria com estas duas variáveis.

122

Continuação...

CONTEÚDO COMPETÊNCIA HABILIDADE

13- Movimento Retilíneo

• Classificar o movimento segundo sua velocidade. • Relacionar e calcular grandezas que caracterizam movimentos.

modificações nos movimentos são consequência de interações, por exemplo, identificando que para um carro parado passar a deslizar em uma ladeira, é necessário uma interação com a Terra.

• Compreender que o movimento é relativo. • Saber usar a equação do movimento uniforme d = vt. • Saber transformar velocidade de cm/s em m/s; de m/s para km/h e vice-versa. • Saber que no movimento uniforme a velocidade permanece constante e o corpo percorre distâncias iguais em tempos iguais. • Compreender o conceito de aceleração. • Saber as características de um movimento retilíneo uniformemente variado.

14- Primeira Lei de Newton;

• Estabelecer as condições necessárias para a manutenção do equilíbrio de objetos; • Diante de situações naturais ou em artefatos tecnológicos, distinguir situações de equilíbrio daquelas de não equilíbrio (estático ou dinâmico); • Prever e avaliar situações cotidianas que envolvam movimentos, utilizando a primeira lei de Newton.

• Saber a diferença entre massa e peso de um corpo e suas unidades de medida. • Compreender o conceito de peso de um corpo como a força com que a Terra o atrai. • Compreender o conceito de inércia. • Compreender o conceito de força resultante que atuam numa partícula. • Saber montar diagramas de forças que atuam em corpos em equilíbrio. • Saber explicar que as forças de resistência do ar e atrito alteram o movimento. • Saber desenhar e calcular as componentes retangulares de uma força no plano cartesiano.

15- Segunda Lei de Newton;

• Reconhecer causas da variação de movimentos associadas às forças. • Prever e avaliar situações cotidianas que envolvam movimentos, utilizando a segunda lei de Newton.

• Saber que a massa de um corpo uma medida da maior ou menor dificuldade para acelerá-lo. • Saber que uma força resultante

atuando em um corpo produz

nele uma aceleração. • Saber que a força de atrito depende do coeficiente de atrito e do valor da força de contato entre as superfícies.

123

Continuação...

CONTEÚDO COMPETÊNCIA HABILIDADE

16- Terceira Lei de Newton;

• Utilizar o princípio da ação e reação reconhecendo que é válido para forças em contato. • Utilizar a 3ª lei de Newton para interpretar fenômenos envolvendo equilíbrio e

movimento de partículas.

• Saber que, para toda força,

existe uma força de reação que atua em corpos diferentes. • Entender que as forças de ação e reação tem mesmo valor, mesma direção e sentidos opostos. • Identificar as forças de ação e reação em várias situações.

17- Pressão e massa específica;

• Relacionar as seguintes grandezas: pressão, força e área. • Relacionar as seguintes grandezas: massa específica, massa e volume. • Comparar valores de pressão. • Reconhecer num corpo se sua massa específica é alta ou baixa.

• Compreender o conceito de

pressão, suas unidades de medida e suas aplicações em situações do cotidiano. • Saber fazer conversões entre unidades de pressão. • Compreender o conceito de massa específica e suas unidades de medida. • Compreender que entre duas substâncias a que tiver menor massa específica vai ficar por cima. • Saber fazer conversões entre unidades de massa específica.

18- Pressão atmosférica;

• Relacionar a pressão

atmosférica com a massa de ar que envolve a terra. • Relacionar a altura de uma chaminé com o fenômeno da pressão atmosférica.

• Saber que quanto maior a

altitude menor a pressão atmosférica.

19- Princípio de Stevin;

Aplicar o Princípio de Stevin para interpretar fenômenos em hidrostática.

• Saber que no sistema de refrigeração do AF usa o sistema de vasos comunicantes.

20- Teorema de Arquimedes;

• Descrever empuxo e utilizar o

Princípio de Arquimedes para interpretar fenômenos em hidrostática. • Relacionar o empuxo à densidade do fluido e ao

volume de fluido deslocado.

• Saber que os fluidos exercem uma força vertical para cima chamada empuxo.

21- Viscosidade;

• Associar a viscosidade ao atrito entre as moléculas do fluido. • Relacionar a viscosidade com

a temperatura.

• Saber que no movimento de um líquido existe atrito entre suas moléculas e esse atrito entre as moléculas chama-se viscosidade e diminui quanto maior a temperatura do líquido. • Saber que quanto menor a velocidade de um fluido maior é a

sua viscosidade.

124

Continuação...

CONTEÚDO COMPETÊNCIA HABILIDADE

22- Vazão;

• Comparar valores de vazão. • Descrever a vazão de um fluido e utilizar a equação da continuidade para descrever o movimento de um fluido incompressível.

• Saber que a vazão é a quantidade de fluido que atravessa uma certa sessão num dado tempo.

23- Energia cinética;

• Associar o aumento de velocidade com aumento da energia cinética. • Descrever a energia cinética.

• Saber que um corpo em movimento possui uma forma de energia associada a esse movimento denominada energia cinética. • Saber que a energia cinética de um corpo em movimento é proporcional à massa do corpo e ao quadrado de sua velocidade.

24- Conservação da energia;

• Identificar transformações de energia no AF e em sua vizinhança. • Identificar as diferentes fontes de energia e seus respectivos impactos ambientais; • Avaliar a eficiência energética do AF e dispositivos ao redor. • Conhecer as transformações de energia nos reatores nucleares para comparar com as transformações de energia nos reatores metalúrgicos. • Avaliar a energia liberada numa reação de combustão.

• Saber que o carvão mineral é uma fonte não-renovável de energia. • Saber das vantagens do uso do carvão mineral. • Saber das transformações de energia que acontece num reator metalúrgico e relacionar com um reator nuclear. • Entender o significado do termo eficiência energética. • Saber como se obtém a energia eólica;

25-Tema Transversal (saúde e meio ambiente);

• Avaliar argumentos sobre problemas decorrentes da poluição sonora para a saúde humana e possíveis formas de controlá-la. • Confrontar e avaliar opiniões sobre a poluição causada pelos gases produzidos no AF e que são lançados na atmosfera.

• Saber os males que os gases produzidos no AF causam a saúde das pessoas que ali trabalham.

• Saber que a poluição sonora causa problemas à saúde humana.

125

Continuação...

CONTEÚDO COMPETÊNCIA HABILIDADE

26- Gerador de energia elétrica;

• Identificar a fonte e transformações de energia na turbina de topo de AF e uso na empresa. • Compreender o funcionamento de diferentes geradores, para explicar a produção de energia em hidrelétricas, termelétricas, eólica etc. - Discriminar o funcionamento de motores e de geradores, reconhecendo as transformações de energia envolvidas em cada um deles.

• Compreender como a eletricidade é gerada pela força do gás empurrando a turbina de topo de AF. •

126

ANEXO C

ATIVIDADE Nº 1

Encaminhamento da discussão

Questionário aplicado na segunda semana de abril de 2012 pelo próprio

professor autor da pesquisa, para quatro turmas da 2ª Série do Ensino Médio de

uma Escola Estadual, compreendendo 97 alunos pesquisados.

Neste primeiro levantamento tivemos uma boa amostragem do conhecimento

desses alunos referente à Siderúrgica instalada aqui na nossa cidade de Ouro

Branco, no assunto que aborda as 6 questões propostas no questionário. A seguir

uma análise de cada uma das questões.

1) Na região onde você mora existe uma usina siderúrgica? Qual nome dessa

usina?

Obs.: dos 49 alunos que escreveram o nome da empresa corretamente, 3 alunos

citaram empresas que são empreiteiras e outras que são mineradoras. Dos 47

alunos que não escreveram o nome da empresa corretamente, quatro alunos

citaram empresas que são empreiteiras e mineradoras. E 2 desses alunos citaram o

nome de uma siderúrgica que está sendo implantada na região.

2) Quantas pessoas de sua família e/ou seus parentes trabalham nela? O que faz

cada um?

1 aluno respondeu não

96 alunos responderam sim 49 alunos escreveram o nome da empresa corretamente

47 alunos não escreveram o nome da empresa

corretamente

127

-33 alunos responderam que ninguém de sua família trabalha na siderúrgica.

-1 aluno não respondeu nada.

-1aluno respondeu que não sabe, mas acha que trabalha.

-9 alunos responderam que já teve familiar que já trabalhou na siderúrgica.

-14 alunos não sabem a função do familiar na siderúrgica.

-53 trabalham -17 alunos não têm certeza na função que o familiar exerce.

na siderúrgica. -22 alunos sabem a função do familiar na siderúrgica.

3) Você sabe a importância de uma usina siderúrgica para a sua região? E, para o

Brasil?

-2 alunos deixaram em branco.

-1 aluno respondeu que sabe mais ou menos.

-6 alunos responderam que não sabe.

-1 aluno respondeu que acha que sabe.

-2 alunos responderam que não sabe, mas acabou falando da importância da

siderúrgica.

4) Você sabe o que faz uma usina? Faça um pequeno resumo do que ocorre no

interior de uma usina.

-16 alunos responderam não sabe e não justificaram.

-4 alunos responderam não sabe, mas responderam a questão não muito

satisfatoriamente.

85 alunos responderam sim.

-5 alunos responderam sim, sem argumentar.

-44 alunos escreveram que com a siderúrgica

há mais oportunidade de emprego para a região

ou país

-36 outros.

128

-12 alunos responderam que sabe mais ou menos ( com os seguintes dizeres: acho

que sei, não sei muito bem, mais ou menos e não sei muito). Desses 12 alunos, 3

deram respostas satisfatórias onde citaram a produção do aço. Os 9 restantes

deram respostas que tem algo a ver.

- 47 alunos não responderam: nem sim, nem não e nem mais ou menos. Mas

escreveram sua resposta. Desses 47 alunos 26 alunos citaram que a siderúrgica

produz aço. E 21 alunos citaram que a siderúrgica fabrica peças, ferramentas etc.

5) Você conhece um alto-forno?

Se sim, desenhe um esquema que mostra suas partes.

Se não, como você imagina que funciona um alto forno – faça um esquema

de seu funcionamento.

-9 alunos deixaram em branco.

- 3 alunos responderam sim. 1 não desenhou, os outros dois desenharam. O

desenho de um deles é estranho, o outro fez um caldeirão e escreveu do lado:

dentro de um caldeirão eles derretem minério de ferro.

-24 alunos não conhecem alto-forno e não fizeram desenho. Alguns

escreveram que nem faziam ideia. Outros escreveram que é um lugar muito quente.

-18 alunos responderam sim

- 4 alunos responderam, minério de ferro

transforma em aço e em peças.

- 11 responderam mais ou menos nesses termos: derretimento de materiais a alta temperatura para produzir peças.

- 3 alunos deram respostas insuficientes,

como um deles escreveu: provavelmente

deve produzir alguma coisa.

129

-28 alunos escreveram que não conhecem alto-forno e fizeram desenho. Os

desenhos tinham algo relacionado com fogo, vapor, chaminé, caldeirão. Obs.:

desses 28 alunos 17 tem familiar que trabalha na siderúrgica.

-33 alunos não responderam nem sim, nem não e fizeram desenho. Uma

observação é que desses 33 alunos, 23 tem familiar que trabalha na siderúrgica. Os

desenhos são de: caldeirão, fogo, fornalha, chaminé, carro de transporte de carga,

vapor, correia de transporte de material etc.

6) Você já visitou uma usina siderúrgica?

Em caso positivo, o que aprendeu nesta visita?

Em caso negativo, você gostaria de conhecer? Por quê?

-87 não -2 alunos responderam que não tem vontade de conhecer.

-85 alunos têm vontade de conhecer.

Obs.: 85 alunos têm vontade de conhecer a siderúrgica. Eis alguns motivos citados

por eles: para saber como funciona, porque acha interessante, conhecer mais

tecnologia, conhecer para um dia trabalhar lá, conhecer para entender mais sua

importância, para ter mais conhecimentos.

-10 alunos disseram sim.

-2 alunos relataram que aprenderam muito de

segurança.

-2 alunos nãos se lembraram do que

aprenderam porque eram muitos novos.

-1 não justificou.

-3 outras justificativas

130

Comentário

Primeira questão: Foi constatado que dos 97 alunos entrevistados, 48% não

escreveram o nome da usina corretamente (Gerdau Açominas).

Segunda questão: 54% dos alunos têm familiar que trabalha na usina. Considero

esse número baixo uma vez que tios e primos estão sendo contados.

Terceira questão: 87% dos alunos escreverem que sabem a importância da usina

para região ou país, mas apenas 43% deram respostas satisfatórias. Onde eles

citam que com a siderúrgica há mais oportunidade de emprego para a região ou

país. Mas 36 outras deram respostas podemos assim dizer desencontradas, que

não tinham muito a ver. Como exemplo a resposta dada por um aluno: Ela ajuda a

fornecer energia para a região, elas produzem o minério e os cascalhos que são

usados para fazer asfaltos.

Quarta questão: apenas 18% alunos responderam que sabe o que faz uma usina e

desses, 4 deram uma boa resposta (do derretimento do minério de ferro obtém-se o

ferro-gusa e outros materiais). Como exemplo a resposta de uma aluna: extrai o

minério de ferro, leva até aos altos fornos e transforma em ferro gusa,

transformando-o em chapas de ferro e outros materiais. E a de um aluno: tem vários

colaboradores que ajudam a manter organização dentro da empresa. Para a

produção do aço ser grande precisa de bons profissionais capacitados para exercer

essas funções. A usina transforma o minério de ferro em aço em uma alta

temperatura. Também o índice dos que responderam que não sabe, ao sabe mais

ou menos é elevado.

Quinta questão: 3 alunos responderam que conhece um alto-forno. 1 não

desenhou, os outros dois desenharam. O desenho de um deles é estranho, o outro

fez um caldeirão e escreveu do lado: dentro de um caldeirão eles derretem minério

de ferro.

E 28 alunos escreveram que não conhecem alto-forno e fez desenho. Os

desenhos tinham algo relacionado com fogo, vapor, chaminé, caldeirão. Um detalhe

importante e que desses 28 alunos 17 tem familiar que trabalha na siderúrgica.

131

Sexta questão: nesta questão há números impressionantes como: 89% dos alunos

nunca visitaram uma usina siderúrgica e 87% desses tem vontade de conhecer.

Percebemos que de maneira geral é grande a falta de conhecimento desses alunos

em relação á Siderúrgica.

ATIVIDADE Nº 2

Encaminhamento da discussão

Para servir de parâmetro para você professor, nesta situação apresento a

dinâmica da minha aula dada a cada turma que foi o retorno referente às respostas

dos alunos ao questionário do Quadro 2.

Na questão 1 falei que a grande maioria deles identificaram a Gerdau

Açominas como Siderúrgica, e que o resultado foi muito bom. Entretanto vários

alunos erraram a forma de escrever o nome da usina. Aí escrevi no quadro a grafia

correta – Gerdau Açominas. Também relatei que a empresa nova VSB que se

instalou na região é uma siderúrgica.

Na questão 2 apresentei-lhes algumas profissões exercidas dentro da

siderúrgica. Lembro que quando falei que lá tem professor de educação física pude

perceber que falei novidade. Idem para advogado. Uma aluna em uma das quatro

turmas acrescentou umas três profissões relacionadas a áreas técnicas.

Referente a questão 3 e 4 falei que encontrei boas respostas e quando comecei a

ler umas que havia selecionado, duas alunas de turmas diferentes pediram para não

ler. Mas explique que iria ler respostas que atenderam bem as perguntas. E apontei

a convergência nas respostas das turmas.

O próximo passo foi ler o Texto 2.1 de título: A indústria do aço no Brasil -

Aspectos Econômicos e Sociais. Este texto fala dos aspectos econômicos e

sociais das siderúrgicas de modo geral. Aí nas minhas intervenções aplicava o que

estava sendo tratado para a siderúrgica da nossa cidade.

Uma boa parte da classe prestava atenção na aula, uma meia dúzia de

alunos participava bem. Mas tem aqueles alunos que não se interessaram. Devia

achar que o assunto não tinha nada a ver, era uma aula “perdida”.

132

Também lhes apresentei um Texto 2.2 sobre a história da siderúrgica da nossa

cidade onde percebi maior interesse e um aluno perguntou onde eu havia adquirido

aquelas informações. E passei o site para ele. Ele falou que ia acessar.

Lembro também que uma aluna pediu o texto 2.1 e falei que depois da apresentação

nas outras turmas iria dar para ela o texto.

Uma indagação importante nesta aula foi a exposição de um aluno falando

que trabalhar na Siderúrgica Gerdau Açominas não está sendo vantajoso hoje em

dia. Isso proporcionou uma boa discussão onde apresentei as vantagens da

empresa referente a plano de saúde, seguro de vida, incentivo a estudos etc (essas

vantagens foram comentadas no Texto 2.1), além do funcionário adquirir

experiências.

Uma observação importante é que desejei fazer esta apresentação em uma

aula. Fui breve nas respostas do questionário em virtude dos textos serem grandes.

Na primeira turma não consegui, mas nas demais simplifiquei, não lendo certas

partes, fazendo apenas comentários do que se tratava.

ATIVIDADE Nº 3

1º Encaminhamento da discussão:

Esta análise que farei desta atividade pode servir de referência para o

professor.

Esta atividade foi realizada nos dias 01e 06 de junho de 2012, nas quatro

turmas de 2ª série do ensino médio da Escola Estadual Cônego Luis Vieira da Silva.

Foram montados 27 grupos (nas 4 turmas) perfazendo um total de 27 figuras

de AF desenhado por alunos e que foram usados nesta atividade 3.

Primeiramente vou fazer um comentário acerca da escolha das 5 figuras de

AF, pois fui muito feliz nesta escolha. A figura 4 e 5 estão mostrando um AF

externamente. A figura 6 está mostrando um AF internamente mostrando valores de

temperatura decrescente a medida que sobe no AF, além de ser colorido “indicando

parte mais quentes”. A figura 7 tem características semelhante a terceira, porém ela

vai mais alem mostrando por escrito a saída de escória, saída de ferro-gusa, injeção

de ar, alimentador, transportador e nomes de materiais que entram no AF como

coque, minério de ferro e calcário. A figura 8 tambem tem caracteristicas próprias,

133

mas todas muito contribuiu para a análise dos grupos e sendo elas instrutivas para

vários alunos devido as suas características informativas.

A seguir o trabalho de um grupo.

Eles receberam a figura a seguir.

FIGURA 30- Desenho do Britador

Fonte: O autor

Escreveram que o desenho do aluno não possui nada que mostre onde o ar é

injetado, não mostra a saída de escória e do ferro, não indica temperatura e não

possui a estrutura existente ao redor do AF. Ainda por cima não mostrou a

quantidade exata de ferro que deve ser colocado.

2º Encaminhamento da discussão

Cada grupo de alunos receberam as 5 figuras coloridas de AF(veja figuras de

AF). O total de figuras que os alunos haviam desenhado foram 63 e escolhi aquelas

que mais faziam sentido (pois há figuras que tinham menos relação-veja figura 30 e

31), quer dizer, aquelas que mais se relacionavam com um AF siderúrgico. O total

de figuras selecionadas por mim (autor da pesquisa) foram 27, portanto foram 27

grupos perfazendo um total de 85 alunos que participaram da pesquisa , distribuidos

nas quatro turmas.

134

FIGURA 31- Alto Forno

Fonte: O autor

FIGURA 32- Alto Forno

Fonte: O autor

Turma 2º A

Foram formados 4 grupos de 3 alunos e 3 grupos de 2 alunos. Total de 18

alunos.

1º Grupo - A1

Fizeram o seguinte relato que está escrito na integra.

135

Alguns elementos e setores de um alto-forno real não foram representados no

esquema do aluno, como por exemplo a saída de escória, transportador, alimentador

e saída de ferro-gusa. O único elemento representado foram as saídas de gases.

Eles comentaram sobre a seguinte figura.

Figura 33- Alto Forno

Fonte: O autor

2º Grupo - A2

Escreveram que o desenho do aluno parece mais um foguete espacial do que

um AF de siderúrgica. E o aluno so se preocupou em desenhar o AF por fora.

Este grupo comentou sobre a figura a seguir.

FIGURA 34- Alto Forno

Fonte: O autor

136

3º Grupo - A3

Relataram que o desenho do aluno não mostra como entra o minério a ser

derretido e o AF de verdade não tem chaminé como tem o do aluno. E o AF de

verdade tem as seguintes partes cadinho, cuba,ventre, goela.

Elas comentaram da figura a seguir.

FIGURA 35- Alto Forno

Fonte: O autor

4ºGrupo – A4

Um dos relatos do grupo: O desenho do aluno é de uma panela em cima de

uma fogueira que é aquecida derretendo o ferro. E no AF, o esquema é composto de

uma fôrma com tijolos que impede a troca de calor com o ambiente onde é derretido

o minério até 1600ºC.

A seguir a figura que o grupo analisou.

FIGURA 36- Alto Forno

Fonte: O autor

137

5ºGrupo - A5

Um dos relatos do grupo: No desenho do aluno a chaminé está do lado ao

invés de estar por cima do forno. O formato do forno do aluno está errado pois não

contém partes mais finas, que por sua vez tem sua função (goela, rampa, cadinho,

etc)

No desenho, os carros estão muito próximos do AF; o que normalmente não

acontece.

A seguir a figura que o grupo analisou.

Figura 37- Alto Forno

Fonte: O autor

6ºGrupo - A6

A diferença é que o AF da figura é mais complexo, com seus detalhes bem

mostrado a fim de apresentar suas partes internas com cortes que permitem às

pessoas olhar cada detalhe de maneira clara e objetiva. O aluno fez somente da

parte externa e não se preocupou com a parte interna. Veja figura a seguir.

Figura 38- Alto Forno

Fonte: O autor

138

7ºGrupo - A7

Eles escreveram que o desenho do aluno mostra o AF por fora, não mostra o

transportador e nem o esquema dentro do AF. E no desenho da usina mostra onde

fica a transportadora. Figura seguinte.

Figura 39- Alto Forno

Fonte: O autor

Turma 2º B

Foram formados 4 grupos de 4 alunos e 2 grupos de 3 alunos. Total de 22

alunos.

1º Grupo - B1

O comentário do grupo de alunos na integra é o seguinte:

O desenho do aluno menciona 350º C, e no desenho verdadeiro menciona

vários graus de temperatura, outra diferença é que no desenho verdadeiro há tubos

que levam ar quente para dentro do AF, e no do aluno não consta estes tubos.

Comentaram da seguinte figura.

139

Figura 40- Alto Forno

Fonte: O autor

2º Grupo - B2

Um dos relatos do grupo: O AF do desenho do aluno funciona a base de

madeira e da figura são outras coisas.

Comentaram sobre a figura seguinte.

Figura 41- Alto Forno

Fonte: O autor

3º Grupo - B3

Relataram que a figura do aluno não é detalhada, pois não apresenta:

transportador, as temperaturas internas, injeção de ar, saída de escória e saída de

ferro-gusa.

Comentaram sobre a figura seguinte.

140

Figura 42- Alto Forno

Fonte: O autor

4º Grupo - B4

O comentário na integra é o seguinte: o esquema feito pelo aluno apresenta

galpões com 3 chaminés, enquanto um AF são apresentados funcionamento interno

e externo.

Comentaram sobre a figura.

Figura 43- Alto Forno

Fonte: O autor

141

5º Grupo - B5

Relataram: A diferença é que no desenho do aluno pode-se observar o forno

interligado com o local de armazenamento e aquecimento que depois leva o aço

derretido para outro recipiente, já nas imagens do professor é possível ver

detalhadamente a temperatura interna do AF e seu modelo interno e externo.

Comentaram sobre a figura seguinte.

Figura 44- Alto Forno

Fonte: O autor

6º Grupo - B6

Escreveram que no desenho do aluno o AF está colocado num galpão e

parece uma chaminé, enquanto o real parece ser separado dos outros setores.

A figura é a seguinte.

Figura 45- Alto Forno

Fonte: O autor

142

Turma 2º C

Foram formados 7 grupos de 3 alunos. Total de 21 alunos.

1ºGrupo - C1

O relato desse grupo na integra é o seguinte: Onde é o alimentador o aluno

desenhou uma saída de fumaça. O aluno também representou um tipo de saída do

material que se encontra no AF que não foi colocado no lugar certo, mas da pra ver

que ele tem uma noção do que é um AF.

A seguir a figura que o grupo analisou.

Figura 46- Alto Forno

Fonte: O autor

2ºGrupo - C2

No desenho do aluno, ele quiz mostrar que o ferro estava derretendo dentro

de uma caldeira, e seu desenho não fica bem esquematizado. Já no esquema de um

AF real, é um recipiente fechado onde possui injeção de ar quente, saída de escória

e ferro-gusa a temperatura bem alevada. A seguir a figura que o grupo analisou.

143

Figura 47- Alto Forno

Fonte: O autor

3ºGrupo - C3

O AF do aluno é simples e não apresenta formas que possa dá a entender

que o aço passa por várias etapas. As imagens dos AF são detalhadas e complexas,

composta de transportador, alimentador; injeção de ar; saída de escória e ferro-

gusa. E nos AF existem as seguintes divisões: placas de desgastes, goela, cuba,

ventre, rampa e cadinho.

A seguir a figura que o grupo analisou.

Figura 48- Alto Forno

Fonte: O autor

4ºGrupo - C4

Um dos relatos do grupo: No desenho do aluno a representação de fogo só

tem uma temperatura, mas no AF de verdade as cores indicam variação na quantia

144

de calor. No AF os gases do processo são liberados através de uma tubulação e no

desenho do aluno eles vão direto para a atmosfera. No desenho do aluno o AF é

uma estrutura simples enquanto que na verdade ele é muito complexo.

A seguir a figura que o grupo analisou.

Figura 49- Alto Forno

Fonte: O autor

5ºGrupo - C5

O desenho do aluno é bem simples com somente uma caldeira e um sistema

de liberação de gás. Já o AF real possui um transportador onde são colocados

alguns minérios (coque, minério de ferro e calcário) e saídas para o ferro-gusa e

escória.

A seguir a figura que o grupo analisou.

Figura 50- Alto Forno

Fonte: O autor

145

6ºGrupo - C6

Um dos relatos do grupo: No desenho do aluno o AF é comparado a uma

panela, o minério chega pelos lados e não há relatos que há lugares com maior ou

menor concentração de calor. No AF real há lugares com maior concentração de

calor, o minério chega por cima há injeção de ar e saída de escória e ferro-gusa.

A seguir a figura que o grupo analisou.

Figura 51- Alto Forno

Fonte: O autor

7ºGrupo - C7

No desenho do aluno o AF é simples. No da empresa mais detalhado, formato

largo, de grande comprimento e grande suporte.

A seguir a figura que o grupo analisou.

Figura 52- Alto Forno

Fonte: O autor

146

Turma 2º D

Foram formados 4 grupos de 3 alunos e 3 grupos de 4 alunos. Total de 24

alunos.

1º Grupo - D1

Escreveram que: o aluno esquematiza o forno dentro da fábrica, mostrando

apenas o básico de seu funcionamento, já o esquema da fábrica, mostra ela como

um todo, indicando o nome das peças, temperatura e também apresenta vários

detalhes importantes do AF.

Fizeram comentário da seguinte figura.

Figura 53- Alto Forno

Fonte: O autor

2º Grupo - D2

Um dos relatos do grupo: Podemos perceber no esquema que as diferenças

de temperatura estão bem representadas e quanto o do aluno não, o esquema está

mais detalhado, o aluno está mais simples e menos representativo.

Comentaram da seguinte figura.

147

Figura 54- Alto Forno

Fonte: O autor

3º Grupo - D3

Um dos relatos do grupo: No desenho do aluno o AF está sendo aquecido por

uma fogueira, parecido com um caldeirão.

No desenho do aluno não existe a transportadora de minério nem o

alimentador. Já o verdadeiro existe o transportador levando o minério ao

alimentador, e passando por várias etapas do AF como: placas de desgaste, goela,

cuba, ventre, rampa e cadinho. No fim do processo é separado o ferro-gusa da

escória.

Comentaram sobre a figura seguinte.

Figura 55- Alto Forno

Fonte: O autor

148

4º Grupo - D4

Alguns relatos do grupo foram: No AF principal, passa por várias etapas até

transformar no ferro gusa e no desenho passa por um sistema aberto.

No desenho não tem separação da escória com o ferro. A temperatura do

desenho parece ser baixa enquanto do AF tradicional chega a uma temperatura

extremamente alta.

Analisaram a figura seguinte.

Figura 56- Alto Forno

Fonte: O autor

5º Grupo - D5

Um dos relatos do grupo: O verdadeiro AF é cromado e muito forte para

suportar altíssimas temperaturas. Tem uma saída própria do minério derretido, com

injeção de ar, tem a saída de ferro-gusa e saída de escória.

Comentaram da seguinte figura.

149

Figura 57- Alto Forno

Fonte: O autor

6º Grupo - D6

Comentário na integra: No desenho do aluno ele explica o processo com suas

palavras mostrando a entrada de gusa até a formação do aço de um modo

simplificado, sem mínimos detalhes.

Já o desenho do verdadeiro AF; mostra as diversas formas do AF, demonstra

a transportação do minério de ferro até o alimentador e logo depois há uma injeção

de ar que a medida que o ferro vai caindo a temperatura vai aumentando e no final

ocorre a separação do ferro-gusa e da escória.

Comentaram sobre a figura.

Figura 58- Alto Forno

Fonte: O autor

150

7º Grupo – D7

Escreveram que o desenho do aluno não possui nada que mostre onde o ar é

injetado, não mostra a saída de escória e do ferro, não indica temperatura e não

possui a estrutura existente ao redor do AF. Ainda por cima não mostrou a

quantidade exata de ferro que deve ser colocado.

Comentaram sobre a figura.

Figura 59- Alto Forno

Fonte: O autor

ATIVIDADE Nº 4

Encaminhando a discussão:

A percepção dos alunos acerca dos fenômenos envolvidos nessas atividades

é muito boa, verifica-se isso através de experiências em sala de aula na aplicação

das mesmas e verificando cada resposta dada pelos alunos. Esta atividade envolveu

81 alunos distribuídos num total de 21 grupos em quatro turmas.

Todos os grupos concordaram que o minério entra pelo topo do AF e a

grande maioria associou isso ao aumento na temperatura ao ir descendo no AF.

Como exemplo a resposta de um grupo de alunos: Ele precisa ser colocado por cima

para ser derretido aos poucos. E outro grupo respondeu: o minério tem que

transformar no ferro-gusa e a maior temperatura está em baixo.

151

Também identificaram com grande facilidade que a saída de ferro-gusa é em baixo.

Alguns grupos relataram que a saída de ferro-gusa é mais em baixo que a escória

por ter maior densidade.

Apesar dos alunos não terem muito ânimo para fazer leitura eles

responderam acerca do que é o minério de ferro, o coque e o calcário, porem

tiveram dificuldades em responder sobre qual a necessidade desta composição.

Quase 34% dos grupos não responderam esta pergunta, uma pequena parte

respondeu satisfatoriamente, como exemplo cito a resposta de um grupo: esta

composição é necessária porque o coque e o carvão é o material que é misturado

no minério para fundir e virar ferro, e para separar impurezas.

Também foi obtido bom resultado para as perguntas: o que é o ferro-gusa e escória?

Que outras substâncias são produzidas no AF? E o que acontece com elas? São

perguntas que na leitura do texto a maioria dos grupos identificou as respostas e

transcreveu-as. Como exemplo de respostas dado por um grupo de alunos para as

duas últimas perguntas tem-se: o gás de AF é limpo para depois ser usado e o pó de

AF é usado na sinterização e também vendido para fábricas de cimento.

ATIVIDADE Nº 5

Encaminhando a discussão:

Essa atividade envolveu 92 alunos de quatro turmas da 2ª série do ensino

médio com um total de 21 grupos formados. Para se ter uma ideia das respostas

dadas por esses grupos, faço exposição aqui da mesma.

Concernente a primeira pergunta a maioria tiveram dificuldade de interpretá-la

e não sabiam respondê-la. Mas quando eles me chamavam nas carteiras para pedir

ajuda nesta questão, eu perguntava para eles. O material que é colocado no AF

entra por onde? Qual é o material que entra? O que sai é aço? Aí eles entendiam

bem a questão e o resultado geral foram 85% de acerto.

Um grupo escreveu que entra minério de ferro sai ferro-gusa do AF e depois se

obtém o aço. Outro ainda escreveu que entra minério de ferro e sai do AF ferro gusa

e escória e do resfriamento do gusa que se forma o aço. Na formação do aço este

grupo cometeu falha, não é uma situação tão simples assim. Mas este trabalho

enfatiza até a formação do ferro-gusa. Não da ênfase a formação do aço.

152

Na questão dois não teve nenhuma discordância em relação a afirmação de

que a medida que o minério vai caindo a temperatura vai aumentando. Apenas

quase metade dos grupos é que explicaram corretamente a questão e como

exemplo de uns grupos transcrevo: Porque a zona de maior temperatura no AF é a

de combustão, a partir daí o calor vai se propagando para outras regiões, chegando

ao topo com uma temperatura menor.

Como resposta da questão três a maior parte dos grupos responderam; na

zona de combustão situa a injeção de ar e fica na parte de baixo do AF. E como

necessidade do ar injetado copiou do texto os seguintes dizeres: o ar aquecido

injetado pelas ventaneiras queima o coque, originando gás e enorme quantidade de

calor.

O resultado da questão quatro não foi bom, apenas dois grupos acertaram a

conversão da velocidade de m/s para km/h. Alguns grupos dividiram por mil e

apenas um grupo dividiu por 3,6. Já a segunda parte desta questão nenhum grupo

acertou. Creio que a maior parte dos alunos não teve o conteúdo de Hidrostática na

série anterior, por que nesta escola são duas aulas semanais de física e este

conteúdo fica em falta para os alunos.

Como um todo o nível das respostas está bom, na questão cinco, por

exemplo apenas um grupo não concordou que no texto há confirmação de que, as

cores indicam variação na quantia de calor. A justificativa do grupo é a seguinte: na

ilustração do AF a parte mais quente era para estar com a cor mais próxima do azul

e não amarelo como está na ilustração, pois quanto mais quente mais azulado fica.

A maioria dos grupos apenas respondeu sim sem justificar, mas alguns justificaram

copiando as três primeiras linhas do texto 5.2. O que abona a resposta.

Deparei com muitas situações em que o grupo num tinha lido os textos, mas

falei que teria de fazer a leitura para poderem responder corretamente as perguntas.

Isso é falta do habito de leitura da maioria dos nossos alunos. Na questão seis por

exemplo 100% dos grupos responderam que não é possível numa chama ter mesma

temperatura e com exemplo do texto eles argumentaram que a chama da vela não é

homogênea as regiões apresentam cores diferentes, nessas regiões as

temperaturas não são as mesmas por exemplo a região mais quente é a parte azul

da vela. Alguns fatores que proporcionaram aos alunos acertarem essa questão e

outras é que os textos são pequenos e fáceis de ser entendido. Isso tem estimulado

a leituras deles.

153

Como resposta ás questões sete e oito foi o seguinte: na sete a grande

maioria procurou colocar as mesmas cores vistas nas figuras de AF, como exemplos

têm as figuras 59 e 60 a seguir. Isso é bom porque creram que cores diferentes

representam temperaturas diferentes e acompanharam o que estava correto. E

referente à questão oito, também na quase totalidade dos grupos disseram ser

semelhantes sim, porque as cores usadas por eles foram iguais a do desenho.

Figura 60- Alto Forno

Fonte: O autor

Figura 61- Alto Forno

Fonte: O autor

154

Agora, uma das questões onde há grande discrepância nos resultados é a

nove. Muitos grupos quiseram que eu viesse a dar as respostas para eles porque

diziam não saber. Eu disse para colocarem a temperatura que eles acharem correta.

Lembro que quando estava atendendo a um grupo perguntei a um jovem qual é sua

temperatura, ele pensou um pouquinho e respondeu: “uns 120”. Seu colega do lado

fez cara de espanto e falou que era 36. Outro detalhe nesta questão é a colocação

da unidade de medida de temperatura para muitos grupos.

Também nenhum grupo me perguntou se a temperatura era na superfície do

Sol, ou qualquer outro lugar. Até mesmo para a chama da vela ou chama de fogão

ou brasa de carvão.

Alguns resultados dados pelos grupos:

Sol - 6000ºC, 360000000 ºC, acima de 10 000 ºC, 7.109, 50 000 000º,

Chama de vela- 46 graus, 60ºC, 5ºC, 50ºC, 100ºC, 245ºC, 20ºC

Chama de fogão- acima de 100 000 graus, 200ºC, 80ºC, 200ºC, 390 ºC, 35ºC

Brasa de carvão- 80ºC, 50ºC, 150ºC, 50ºC, 300ºC, 60ºC, 1100ºC

ATIVIDADE Nº 6

Encaminhando a discussão:

Sobre a pergunta, por que o minério não é colocado na parte inferior do AF,

os alunos de maneira geral escreveram que o minério é colocado na parte superior

do AF porque ao cair recebem calor dos gases que sobem. E ainda alguns citaram

que o minério precisa passar por etapas. Esta questão, a meu ver foi muito

importante, pois dá ao aluno uma boa ideia de como o minério vai sendo derretido

pela troca de calor.

Desenvolvido a primeira questão os alunos na sua quase totalidade sabe (até

mesmo por intuição ) que na parte inferior do AF o estado físico da matéria é liquido.

Com isso a maioria dos alunos relatou que o minério começa a derreter, digamos

assim, do meio do AF para baixo. E um número de aluno que está em torno de 80%

refere às zonas de gotejamento, de amolecimento, de combustão como lugar em

que o minério é derretido. Como situação geral, acho que se trata de um bom

resultado, mas respostas mais completas se encontram, como: o minério começa

155

ser derretido na zona de gotejamento e o restante que não foi derretido acaba sendo

derretido na zona de combustão, ele é derretido através do calor da zona de

combustão.

Essa atividade foi de fácil entendimento pelos alunos. Tiveram ideia clara que

se colocar minério no alimentador em maiores quantidades do que o planejado a

produção de ferro gusa fica comprometida porque o resultado final não é totalmente

líquido, podendo haver resíduos de minério sólido. Isso foi resposta de um grupo de

alunos, mas podemos falar que ela representa a grande maioria das respostas dos

alunos.

Como já dito em outra situação os alunos têm desanimo de ler e na questão

quatro que fala se uma das ventaneiras parar de funcionar, o que ocorre na

fabricação de ferro-gusa? A maioria dos alunos teve dúvidas nessa questão e me

perguntavam sobre as ventaneiras e disse que no AF há umas 30 ventaneiras que

sopram ar quente e carvão pulverizado para combustão para dentro dele. Bem, de

posse dessa informação a maior parte dos grupos escreveu que há uma perda de

calor e/ou queda na produção de ferro-gusa.

Na quinta questão que fala dos gases aquecidos o que acontece com sua

densidade? E qual movimento tendem a ter com isso? Até aqui se trata de uma

questão de alto índice de acerto, mas para explicar por que ocorre tal movimento,

menos da metade teve sucesso e a maioria copiando do texto, que é válido o

problema é quando se copia pela metade.

Na questão seis não houve discordância na pergunta e uma resposta de um

grupo é a seguinte: sim, pois, o ar quente que é menos denso tem a tendência de

subir, e o ar frio descer, assim forma-se os ventos. Muitas respostas estão sucintas

assim e um pouco incompletas, mas não podemos desprezá-las.

Atividade para casa

Referente à atividade para casa (Texto – Mudanças de Fases da Matéria) os grupos

de aluno tinha cinco perguntas para responder e a primeira 87 % dos grupos

responderam corretamente o que é de se esperar porque se trata de uma questão

bem elementar. Já a segunda questão o estudante precisa de interpretar bem o

texto, mais especificamente as leis da fusão. E como de maneira geral os nossos

alunos têm preguiça de pensar, o resultado esperado não foi o desejado, apenas

156

12,5% acertaram essa questão. Uma das respostas é a seguinte: porque há uma

absorção de calor latente (específico de cada substância) ocorrendo assim a

mudança de fase. Vários grupos fizeram cópia do texto, entendendo que a resposta

era: Quando uma substância se funde, de modo geral ela aumenta de volume. Para

uma substância que tenha este comportamento, observa-se que um aumento na

pressão exercida sobre ela acarreta um aumento em sua temperatura de fusão.

Foram pedidos para os alunos pesquisarem o valor do Calor latente de fusão

e vaporização do ferro. Como nossos alunos estão aprendendo ainda a pesquisar,

podemos considerar satisfatório o resultado de 12,5 % dos grupos encontrarem

corretamente o valor pedido. Um grupo extraiu o valor do site:

http://www.fisica.ufs.br/egsantana/estadistica/otros/fusion/fusion.htm e justificou

adequadamente. Outro grupo teve como fonte: koshkin N.I., M. G. Manual de Física

Elementar, Edt. Mir (1975). 25% dos grupos deixaram a questão em branco, 25%

também colocaram foram os valores das temperaturas de fusão e ebulição do ferro.

Outros ainda apenas falaram o que é calor latente de fusão e vaporização.

Na penúltima questão a grande maioria dos grupos citou bons exemplos de

evaporação, como uma roupa secando ao sol, a água que evapora dos rios, mares,

lagos e até do nosso corpo. Porém o que acontece com a temperatura do líquido

que evapora não teve resposta adequada. Alguns escreveram que a temperatura do

líquido aumenta entendo erroneamente que o texto menciona isto.

Uma situação que os alunos associam bem quando se fala de aumento da pressão

é com a panela de pressão. E na última questão a maioria dos grupos fez essa

citação. Encerrando assim essa atividade.

ATIVIDADE Nº 7

Encaminhando a discussão:

A seguir deixo como referência uma discussão das respostas dos meus

alunos referente essa atividade que envolveu 89 alunos distribuídos em 20 grupos.

Esta atividade eu apliquei em duas turmas, nas outras duas foi por uma

professora de português. Nas duas turmas que a atividade não foi aplicada por mim,

em uma dessas salas fui tirar dúvidas. Na outra turma ficou sem a minha

assistência.

157

No geral as quatro turmas são bem homogêneas, e uma questão que um

grupo teve dificuldade os demais também tiveram. E a questão fácil para um grupo

geralmente foi fácil para os demais.

Quando um grupo pergunta acerca de uma questão faço “rodeios” muito das

vezes com perguntas, inferências até voltar à questão que eles me fizeram. Induzo

os alunos a pensarem até por fim saberem responder a questão que eles me

propuseram

Os alunos tiveram bom entendimento de que os tijolos do AF tentam impedir a

propagação do calor com o ambiente externo. 85% dos alunos responderam sim e

tiveram justificativa regular. Como exemplo, transcrevo a resposta de um grupo: O

tijolo tem o poder de armazenar calor impedindo que haja troca de calor com o

ambiente. Até na turma que não teve minha assistência de seis grupos formados

apenas um respondeu negativamente. Os grupos que não concordaram que o AF é

composto de uma fôrma com tijolos que impede a troca de calor com o ambiente,

extraíram do texto 7.2 que o AF é constituído de chapas de aço soldadas. Como os

metais são bons condutores entenderam que os tijolos são assim. Mas eles não

entenderam que esta estrutura metálica fica externamente ao AF e que os tijolos é

que ficam por dentro.

Uma das questões que os alunos tiveram menor dificuldade foi a segunda. A

maioria dos grupos relatou que a panela de pedra tem vantagem por demorar mais a

esfriar e a de alumínio vantagem em esquentar rápido. Um grupo ainda colocou

como parte de sua resposta que a panela de pedra tem maior calor específico que a

panela de alumínio, o que mostrou bom conhecimento do fenômeno. Uma

observação: na nossa região usam-se bastantes panelas de pedra. Essa pedra é

semelhante à pedra sabão, uma pedra macia que se usa muito em esculturas.

Concernente a questão 3 muitos alunos inicialmente não estavam

entendendo. Para alguns falei para ler no primeiro texto o assunto Estudo

quantitativo do fluxo de calor. Teve ainda dúvida, aí eu perguntava: Quanto maior a

espessura do tijolo, maior o fluxo de calor ou menor o fluxo. Quero dizer o fluxo de

calor e diretamente proporcional a espessura do tijolo ou inversamente. A maioria

dos alunos respondia corretamente e eu fazia um gesto afirmativo e como resultado

geral a maior parte dos alunos acertou a questão. Já na turma onde não marquei

presença, todos responderam a questão, mas apenas um grupo foi bem sucedido

158

escrevendo: porque visto pela espessura é de quase ou 1m, haverá menor

condução de calor devido à espessura ser um pouco mais grossa.

A questão quatro, na turma que eu não assisti nenhum grupo sequer igualou

as duas equações, não souberam interpretaram a questão. Nas outras três turmas

um número pequeno de grupos igualou as duas equações e conseguiram isolar a

constante k. Sendo que nenhum substituiu as grandezas pelas unidades,

consequentemente não chegando à resposta. A minha ajuda nesta questão limitou-

se apenas a falar para igualar as equações e isolar a constante k. Não pude ajudar

mais por motivo de tempo o que foi uma pena.

Não me lembro de ter auxiliado algum grupo na questão cinco, pelo

contrário, falei que eles teriam capacidade de resolver lendo o texto.

Como nossos alunos não gostam de ler e esquece com facilidade o assunto que já

foi estudado (Transferência de Calor), o resultado não foi bom, a melhor resposta

dada foi a seguinte: Três maneiras: radiação, condução e convecção. Os tijolos

refratários usados no AF ajudam a evitar a propagação de calor por radiação e

também por condução. Pena que esse grupo não fez a justificativa. Não foi

encontrada resposta em branco para essa questão, nem para outras anteriores

exceto poucas para a questão quatro. Nessa questão cinco teve contradição nas

respostas onde alguns respondiam convecção e condução e ao mesmo tempo

copiavam do texto os dizeres; os tijolos refratários usados no AF ajudam a evitar a

propagação de calor por radiação e também por condução. Também houve muitos

nomes errados ao escrever condução, convecção e radiação.

ATIVIDADE Nº 8

Encaminhando a discussão:

Apliquei esta atividade nas quatro turmas de 2ºs anos com envolvimento de 87

alunos distribuídos em 21 grupos.

Faço aqui comentários das respostas dos alunos deixando disponível para

conferência dos colegas professores de física.

Como essa atividade não é grande e os alunos são desanimados a ler,

fizemos uma leitura compartilhada do texto com comentário, principalmente acerca

159

do calor específico, ressaltando: quem tem calor específico alto como a água,

demora a esquentar, mas também demora a esfriar. Já calor específico baixo,

esquenta rápido e esfria rápido, como a areia. Citando exemplo dos desertos que

durante o dia a temperatura é alta e a noite muito baixa.

Na primeira questão tiveram muitas dúvidas, e ao me chamar nas suas

carteiras, conduzia-os a refletir, como exemplo, perguntava o que era

superaquecimento e eles respondiam certo. Enfatizava que a água estava passando

e evitava o superaquecimento. O que ela estava fazendo para evitar esse

aquecimento? Com perguntas mais ou menos assim ajudava-os a raciocinar e

sempre tinha um que respondia certo, fazendo eu sinal afirmativo, plainava então um

ambiente agradável e de satisfação. Pela leitura das respostas pude contemplar na

sua maioria respostas corretas. Em que a água estava retirando calor e evitando o

superaquecimento. De posse desse entendimento muitos alunos extraíram as

seguintes frases do texto e usaram como resposta. a água possui calor específico

igual a 1,0 cal/g.oC, o que é considerado um valor elevado, isso faz com que ela

possa tanto ceder como absorver muita quantidade de calor sem que haja alteração

no seu estado físico.

Na segunda questão senti que eles estavam mais seguros, perguntaram

menos. Mas pude constatar que menos da metade deram respostas que satisfaz a

pergunta, como a de um grupo: com o ar a refrigeração não será tão eficiente como

a água; pois o ar tem o calor específico menor que da água.

Muitos alunos tiveram dúvidas ao responder se os tijolos do AF têm baixo ou

alto calor específico. E diante de cada grupo eu fazia perguntas como: o material

dos tijolos são bons condutores de calor como os metais? Os metais têm alto ou

baixo calor específico? Perguntas desse tipo fizeram com que eles tirassem suas

conclusões e pude apreciar boas respostas como essa de um grupo: os tijolos do AF

têm alto calor específico porque mantém a temperatura elevada por muito tempo e

não se esfria fácil. Mas também teve respostas com contradição em que o aluno

disse: tem baixo calor específico, porque é um bom isolante térmico. E ainda grupos

que escreveu que tem baixo calor específico porque tem a finalidade de esquentar

rápido e também esfriar rápido.

Os alunos na sua maioria colocaram que o sistema de refrigeração dos

automóveis é no radiador, identificaram com facilidade que se usa água para

160

refrigerar. Uma minoria falou que se usa o ar também. Um grupo deu como resposta

carburador e outros citaram junto com o radiador a ventoinha.

Na questão cinco os alunos de maneira geral tiveram dificuldade como

determinar a quantidade de energia para elevar a temperatura de 5 kg de ferro de 20

ºC a 100 ºC e também para a água. Mas eu perguntava para eles, que energia é

essa que é falada no texto? Sempre tem um aluno no grupo que responde

corretamente. E aí foi fácil identificar no texto a equação. Mas analisando suas

respostas pude ver que a maioria dos grupos não transformou a unidade de

quilograma para grama. Uma menor parte fez a transformação adequada.

Quando se trata de uma questão com resposta mais extensa os alunos de

modo geral tem dificuldades de acertar e foi o que ocorreu na questão que pediu

para explicar porque uma brisa sopra do mar para a terra durante o dia e em sentido

contrário á noite. Poucos grupos explicaram bem a questão e cito a resposta de um

grupo: durante o dia a brisa sopra do mar para a areia, pois a areia possui um calor

específico baixo permitindo que o ar que está na areia suba e o ar que está no mar

preencha o que estava na areia. E a noite o ar que está no mar sobe e o ar presente

na areia preencha esse vazio. Uma observação interessante é que um grupo pegou

o livro e copiou da lá a explicação.