Processos Metalúrgicos - kaiohdutra.files.wordpress.com · Fabricação de Aço Por outro lado, dependendo da composição do ferro gusa e do tipo de aço desejado, pode -se considerar

Processos Metalúrgicos

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 3 – FABRICAÇÃO DO AÇO

Fabricação de Aço◦Sendo o ferro gusa uma liga ferro-

carbono em que o carbono e asimpurezas normais (Si, Mn, P e S,principalmente o Si e o Mn), seencontram em teores elevados, a suatransformação em aço, que é uma ligade mais baixos teores desseselementos, corresponde a um processode oxidação, por intermédio do qual,porcentagens desses elementos éreduzida até os valores desejados.

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Fabricação de Aço◦ Em conseqüência, na transformação do

ferro gusa em aço, utilizam-se "agentesoxidantes", os quais podem ser de naturezagasosa, com o ar e oxigênio, ou de naturezasólida, com o minérios na forma de óxidos.

◦ Assim sendo, os processos para produçãode aço podem ser classificados de acordocom o agente utilizado:◦ Processos pneumáticos, onde o agente oxidante é

ar ou oxigênio;◦ Processos Siemens-Martin, elétrico, duplex etc.,

em que os agentes oxidantes são substânciassólidas contendo óxidos.

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Fabricação de Aço◦Por outro lado, dependendo da

composição do ferro gusa e do tipo deaço desejado, pode -se considerar aindaoutra divisão dos processos de suafabricação, qualquer que seja o tipo deforno:◦ Processos ácidos, em que podem ser

diminuídos ou removidos facilmente oselementos carbono, silício e manganês, nãoacontecendo, entretanto, o mesmo com ofósforo e o enxofre;

◦ Processos básicos, em que todas impurezaspodem ser reduzidos aos valores desejados.

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Fabricação de AçoProcessos Pneumáticos

◦Os vários tipos estãorepresentados na figura.Com o se verifica, oprincípio básico de qualquerdos processos pneumáticosé introduzir ar ou oxigênio,pelo fundo, lateralmente oupelo topo, por intermédio deuma "lança".

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◦O processo pneumáticotradicional é o que utiliza oconversor Bessemer, cujonome é devido ao seuinventor, em 1847, naInglaterra.

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◦As características principais do Conversor deBessemer são:◦ Carcaça de aço cilíndrica, com formato de um a

pera. O aparelho é suspenso por um eixoapoiado em dois munhões que permitem arotação do forno, nos dois sentidos, paracarregamento ou vazamento. O fundo do conversoré destacável e contém as ventaneiras, por onde oar sob pressão é soprado; as ventaneiras sãoconstruídas de material refratário sílico-aluminoso;

◦O forno é internamente revestido com materialrefratário silicoso, de natureza ácida;

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◦As características principais do Conversor deBessemer são:◦ O ar é soprado pelo fundo, atravessando a camada de

gusa líquido, proveniente do alto-forno, a qual ocupaum volume correspondente a uma espessura até cercade 1m;

◦ Sendo as reações de oxidação dos elementos contidosno ferro gusa líquido fortemente exotérmicas,principalmente a do silício, não há necessidade deaquecimento da carga metálica do conversor,eliminando-se, assim, a utilização de qualquercombustível.

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Fabricação de AçoOperação do Conversor Bessemer

◦Para carregamento, o forno é levado à posição quasehorizontal. Carrega-se imediatamente sucata, casca deóxido e mesmo minério, se desejado. A seguir, o gusalíquido. Na posição mencionada, o metal fica restrito ao ventre do conversor, sem entrar em contato com asventaneiras da caixa de vento.◦ Inicia-se a entrada de ar, ao mesmo tempo em que oaparelho é colocado paulatinamente na posiçãovertical, posição em que permanece até que a operaçãode oxidação se complete.

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◦O silício oxida-se em primeiro lugar,formando-se uma chama curta etransparente que se projeta pela boca doforno. O resultado da oxidação é a formaçãode sílica Si02, que, juntamente com osóxidos de ferro e manganês que igualmentese formam durante o "sopro ", originam umaescória de baixo ponto de fusão, à base desilicatos de Fe e Mn.

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◦À medida que o sopro continua a chama começa aalongar-se e tornar-se brilhante e se inicia operíodo de oxidação do carbono.

◦Quando a eliminação do carbono aproxima-se dofim, a chama muda novamente de aparência,encurta-se e parece desaparecer. Neste momento,tem-se o chamado "ponto final" ou "fim dosopro".

◦O conversor é novamente basculado e o sopro dear desligado paulatinamente. O metal está prontopara ser vazado na panela onde se adicionam Fe-Mn ou alumínio para desoxidar e dessuIfurar ometal.

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◦Quando se utilizam desoxidantes fortes comoFe-Si, AI e mesmo carbono, produz-se um açoBessemer "acalmado", ou seja, sem apresentarefervescência típica do aço Bessemer comum,com certa oxidação.

◦O controle da temperatura exige muito cuidado,pois temperaturas baixas causam problemasde vazamento e temperaturas muito elevadaspodem proporcionar no aço quantidadesexcessivas de oxigênio e nitrogênio.

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Fabricação de AçoConversor Thomas

◦As características físicas e o sistema desopragem não são diferentes, em princípio,dos do conversor Bessemer.

◦A operação, entretanto, apresentapeculiaridades próprias.

◦ Com o aparelho na posição horizontal,carrega-se cal(numa proporção de cerca de130 kg de CaO por tonelada de gusa). Emseguida, carrega-se o gusa, ao mesmo tempoem que o conversor é basculadopaulatinamente para a posição vertical e osopro de ar é iniciado.

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◦Do mesmo modo que no conversorBessemer, o "fim do sopro“ ou ponto finalda operação é determinado pela inspeçãovisual da chama.

◦Depois que a operação de oxidação écompletada, o aparelho é novamentebasculado e a escória, que neste processose forma, é retirada, adicionando-se logoa seguir a quantidade necessária de Fe-Mn.

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◦A principal diferença de operação entre oconversor Thomas e o conversor Bessemerreside nas reações químicas que permitem,no primeiro, a remoção do fósforo, pelautilização de cal, a qual é possível porque oforno é revestido com material refratário denatureza básica; e igualmente na remoção doenxofre.

◦A remoção do fósforo e do enxofre,principalmente do primeiro elemento,depende muito da quantidade de cal naescória.

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◦A figura mostra como se processaa eliminação dos várioselementos contidos no ferrogusa, em função do tempo desopro.

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Fabricação de AçoConversor de Sopro Lateral

◦Trata-se de conversores de pequena capacidade, geralmente até 2,5t.Seu revestimento é silicoso, portanto de natureza ácida.

◦O ar é introduzido lateralmente, acima da superfície do banhometálico.

◦O processo é usado principalmente em fundições que, num fornocubilô, produzem o gusa líquido necessário para a conversão em aço.

◦O fim da operação ou "ponto final" é observado pela queda dachama.

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Fabricação de AçoConversor de Sopro Pelo Topo L-D

◦O processo mais famoso é o L-D(Linz-Donawitz). Neste processo, introduz-se, porintermédio de uma lança metálica resfriada aágua, oxigênio de pureza variável entre 95 e99,5%. O forno não apresenta qualquerabertura no fundo e seu revestimento é dedolomita ou magnesita, portanto de naturezabásica, o que permite eliminação ou reduçãodo teor de todos os principais elementoscontidos no gusa líquido.

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◦A ponta de lança introduzida no interior do forno fica auma distância da superfície do banho líquido que variade 0,30 a 1,00m.

◦As temperaturas de reação nos conversores a oxigêniosão bem mais elevadas que nos outros conversores,devido ao impacto do jato de oxigênio que provocareação violenta e imediata, fazendo com que astemperaturas locais sejam da ordem de 2.500 a 3.000°C.As diferenças de temperatura provocam enérgicamovimentação do banho, o que facilita e acelera asreações de oxidação através de todo o gusa líquido.

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◦O forno pode ser basculado de modo a ser inclinadohorizontalmente para ser carregado com gusalíquido e sucata sólida. A seguir é levado à posiçãovertical, a lança é abaixada e o oxigênio introduzido.

◦O fósforo é eliminado antes do carbono pela ação docal, que é carregado logo após a introdução dooxigênio pela lança.

◦O enxofre também é facilmente eliminado, devido àforte agitação do banho e pelo fato da escóriaapresentar-se mais quente e mais fluida.

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◦O processo apresenta aplicações mais amplas,mesmo porque pode-se adicionar elementos deliga, de modo a produzir-se aços liga.

◦Nas usinas modernas, um computador permite ocálculo preciso dos vários componentes da carga,a partir de dados relativos à especificação do açoa ser produzido. Com esses dados, o computadordetermina inclusive a quantidade de oxigênio aser soprado durante a operação e, se necessário,corrige os pesos dos materiais prontos para seremcarregados.

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Fabricação de AçoProcesso Siemens-Martin

◦O princípio deste processo consiste emaquecer-se uma determinada carga dematerial ferroso num forno mediante umcombustível (geralmente gasoso) em misturacom ar, ambos previamente aquecidos em"recuperadores" ou "regeneradores", demodo a atingir-se uma temperatura devazamento de aproximadamente 1.650°C.

◦A carga consiste de mistura de ferro gusa(líquido ou sólido) e sucata sólida, nas maisvariadas proporções, de modo que se podeutilizar uma carga somente de ferro gusa ousomente de sucata.

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◦A fase chamada refino dá-se por reaçõesde oxidação, devido a presença deferrugem na sucata, pelo óxido de ferroque se origina na superfície da cargasólida ou devido à atmosfera oxidantedas chamas e, principalmente, pela adiçãode minério de ferro que atuaessencialmente como agente oxidante.Forma-se lentamente urna escória, que éresponsável pelo refino, enquanto aoxidação inicial se realiza por intermédiodos MnO e FeO formados, principalmenteeste último.

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◦A operação é demorada, compostaessencialmente de duas fases, o quepermite um controle muito maior dacom posição química do aço, de modoque não somente aços de baixocarbono, como também de médio ealto carbono, além de aços -liga podemser produzidos.

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◦Características básicas:◦ São de grandes dimensões e capacidade, podendo

superar 200t por operação;

◦ São constituídos de uma soleira, normalmenteconstruída de refratário de natureza básica;

◦ São, geralmente, fixos, existindo, contudo, tipos quebasculam cerca de 10 a 12° para um dos lados, emsentido longitudinal, para remoção da escória e cerca de30° para o lado oposto, de vazamento, por ocasião dacorrida do aço;

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◦Características básicas:◦ Do lado de carregamento, situado no

nível mais elevado do solo, estãosituada as "portas de carregamento",cujo número é variável - 3, 5 ou 7 - emfunção das dimensões e capacidade dofomo;

◦ Do lado oposto, dando para o nível maisbaixo do solo, localiza-se o furo decorrida, situado no centro do forno.Esse furo, durante a operação, émantido tapado;

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◦ Características básicas:◦ Abaixo das extremidades dos fornos estão

localizadas as "bolsas“ ou "câmaras deescória", onde se acumulam as poeiras egotas solidificadas de escória, arrastadaspelos gases;

◦ Sob o forno, encontram-se os"regeneradores" ou constituídos de umempilhamento de tijolos refratáriosalojados em câmaras retangulares, cujafunção é absorver o calor dos gasesqueimados, para depois pré-aquecer o ar eo gás usado com o combustível.

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◦Características básicas:◦ Os queimadores de gás são colocados lateralmente,

no sentido longitudinal do forno, sobre os mesmossituam-se os dutos de chegada de ar;

◦ As válvulas de inversão possuem objetivo de realizar acomunicação entre os regeneradores de ar e de gás eos dutos desses fluidos e ligar os regeneradores com achaminé.

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Fabricação de AçoOperação em Fornos Siemens-Martin

◦A operação de um forno Siemens-Martinpode ser dividida nas etapas seguintes:◦ Carregamento e fusão da carga;

◦ Período de trabalho ou de refino;

◦ Acabamento da corrida.

◦Geralmente o tempo total de duração daoperação é de cerca de 10 horas parafornos com capacidade em torno de 200t.

◦O uso de oxigênio encurta esse período decerca de 2 horas.

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◦As cargas dos fornos Siemens-Martin sãovariadas:◦ Somente gusa líquido, mais minério de ferro

com o substância oxidante;◦ Gusa líquido e sucata, mais minério de ferro;◦ Gusa sólido, sucata e minério de ferro;◦ Somente sucata.

◦ O tipo de carga varia com as condições da usina:disponibilidade ou não de gusa líquido (usinasiderúrgica integrada), custo do gusa e da sucata,dimensões dos fomos etc.

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◦Normalmente carrega-se primeiro algumasucata no fundo e sobre ela o fundente(calcário) e o minério de ferro, este últimoquando a porcentagem de gusa líquido éelevada.

◦Quando a carga sólida está parcialmentefundida, é carregado o gusa líquido porintermédio de bicas, que recebem o gusa dapanela.

◦ Logo após a adição do gusa líquido, iniciam-seas importantes reações de oxidação, pelaação dos óxidos de ferro do minério e dasucata.

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◦ Terminadas as fervuras do banho, inicia- se operíodo de trabalho ou de refino.

◦ Neste período, procura-se reduzir o fósforo e oenxofre a teores abaixo dos máximosespecificados, eliminar o carbono rapidamente elevar o banho a condições que permitam adesoxidação final e ao vazamento.

◦ Nesse período, retiram-se, a intervalos regulares,amostras do banho para análise química.

◦ Os ajustes finais da composição da escória, dacomposição do aço e de sua temperatura sãorealizados antes do vazamento.

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◦Durante a corrida, procura-se mantero carbono pouco abaixo do teorespecificado, de modo a permitir queo seu aumento, devido à adição finalde ferro-ligas, não ultrapasse oespecificado.

◦Fazem-se então as necessárias adiçõesde ferro-ligas, conforme o tipo de açoprogramado e procede-se aovazamento.

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◦ Os aços acalmados, geralmente de maiorteor de carbono, são utilizados quando sedeseja, por exemplo, produzir, a partir doslingotes resultantes, peças forjadas. Atécnica de produzir aços acalmados consistenuma desoxidação mais intensa pela adiçãode Fe-Si e Fe-Mn.

◦ Os aços efervescentes são de carbonogeralmente abaixo de 0,20%. São utilizadosna produção de chapas e arames.

◦ Há também os aços semi-acalmados, tiposintermediários entre os dois anteriores,destinados à fabricação de perfis estruturaise chapas grossas.

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Fabricação de AçoFornos Elétricos

◦A fabricação do aço, principalmente os de maiorqualidade, pode ser feita em fornos elétricos.

◦ Este processo pode operar com até 100% desucata e com carga sólida, motivo pelo qualnecessita de grandes quantidades de energia,obtidas através da formação do arco elétricoentre três eletrodos de grafita e a carga sólida.

◦ Sua capacidade pode variar de 10 a 50toneladas de aço e seu tempo de operaçãopode variar de 1 a 2 horas.

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