1

SIDERURGIA

1 INTRODUÇÃO

A siderurgia está dentro da ciência e tecologia denominada de metalurgia.

A metalurgia é a arte e a ciência da produção de metais e ligas metálicas com a forma e

com as propriedades convenientes a sua utilização prática.

Na história Antiga encontramos a importância dessa arte-ciência, pois encontramos a

denominação do desenvolvimento cronológico da sociedade de acordo com os descobrimentos

relacionados à metalurgia:

Idade da Pedra → Idade do Bronze → Idade do Ferro

A moderna metalurgia é uma ciência aplicada e coerente baseada na clara compreensão

da estrutura e das propriedades dos metais e ligas. O desenvolvimento dessa ciência propiciou a

produção de novos metais e ligas para motores a jato, reatores nucleares, circuitos eletrônicos,

equipamentos sofisticados, próteses humanas.

A metalurgia pode ser dividida de acordo com o enfoque de estudo:

a) Metalurgia Mecânica: está relacionada aos estudos de resistência, plasticidade,

tenacidade com relação a trabalhos mecânicos de prensagem, estampagem, laminação e forjagem

sobre o material metálico.

b) Metalurgia Física: está relacionada com os estudos envolvendo a microestrutura

(deslocamentos, defeitos, recristalização).

c) Metalurgia Química: estuda as propriedades químicas dos metais incluindo a

combinação de diferentes metais na formação de ligas.

Ela se ocupa das transformações químicas de oxidação e redução e está fundamentada na

termodinâmica. A metalurgia extrativa é um processo de redução química. Esse processo é

termodinamicamente não espontâneo, uma vez que as formas mais estáveis de se encontrar os

metais na natureza são como óxidos, sulfetos e carbonatos.

Há mais de 5000 anos o processo era a denominada fusão redutora.

O bronze (cobre e estanho) e o latão (cobre e zinco) eram obtidos por esse processo.

Muitos defendem a hipótese de que o homem descobriu o ferro no Período Neolítico (Idade da

Pedra Polida), por volta de 6.000 a 4.000 anos a.C. Ele teria surgido por acaso, quando pedras de

minério de ferro usadas para proteger uma fogueira, após aquecidas, se transformaram em

bolinhas brilhantes. O fenômeno, hoje, é facilmente explicável: o calor da fogueira havia

derretido e quebrado as pedras. No início era extraído dos meteoros e por isso o ferro era

considerado uma dádiva dos Deuses. Aos poucos, o ferro passou a ser usado com mais

freqüência, a partir do momento em que se descobriu como o extrair de seu minério. A

exploração regular de jazidas começou em torno de 1.500 a.C., provavelmente no Oriente

2

Médio, de onde o metal teria sido importado por assírios e fenícios. Do primeiro milênio da era

cristã em diante, o ferro difundiu-se por toda bacia do Mediterrâneo.

Os minérios de ferro são fáceis de reduzir, mas o seu elevado ponto de fusão impedia de

obtê-lo no estado líquido. Eles obtinham uma massa porosa e pastosa de ferro misturada com

escória (óxidos de silicatos não reduzidos, vidros). Essa massa era compactada sendo batida ou

forjada (ferro forjado).

FIGURA 1: Fornos primitivos usados na redução do minério de ferro, pelo emprego de

carvão vegetal como combustível.

Nesses fornos, o processo era de redução direta:

C + O2 → CO2 CO2 + C → CO

CO + FeXOY → Fe + CO2

O formo original evoluiu para o alto-forno onde um jato de ar era dirigido para a zona de

altas temperaturas situada acima da soleira, ao mesmo tempo que o minério e o carvão de

madeira desciam por uma longa cuba localizada na parte superior da instalação.

No século XIV conseguiram temperaturas suficientemente elevadas para obter ferro

líquido. A gusa líquida obtida continha aproximadamente 4 % de carbono dissolvido. A presença

do carbono diminui o ponto de fuso ferro e era possível a sua fundição em moldes. O ferro

fundido era frágil devido à presença do carbono e de outras impurezas, isso impedia o seu uso

para os mesmos fins do ferro forjado.

3

No século XVIII, Cort resolveu o problema tornando a gusa mais dúctil pelo processo

denominado pudelagem. Esse processo foi desenvolvido na Inglaterra onde havia muita hulha

(carvão mineral), que primeiro era transformada em coque. Nessa técnica, o ferro fundido é

primeiro levado ao estado líquido, sem estar em contacto com a hulha cuja combustão fornece o

calor necessário. O ferro líquido (fundido) é oxidado por uma escória ferruginosa, que,

queimando as impurezas, dá ao ferro um aspecto pastoso.

Aço ferramenta com teor de carbono em torno de 1%, também foi obtido muito cedo pelo

processo de cementação (processo em que o ferro esponjoso forjado é aquecido em carvão) e

podia ser endurecido por têmpera (aquecimento ao rubro e água fria). Porém, somente no século

XIX foi obtido o aço macio (com ~ 0,25 % de carbono) por um custo que permitia o uso em

construções. O processo é denominado de convertedor e foi desenvolvido por Bessemer. Mais

tarde surgiu o processo Siemens-Martin de elaboração do aço.

A eletricidade desempenha um papel importante em muitos processos modernos de

extração.

Em 1886, o processo Hall-Héroult usado para a produção comercial do alumínio teve um

impacto importante na metalurgia. Esse é um processo elétrico de refinação da bauxita (minério

de alumínio). Outros metais que são produzidos pelo emprego da eletricidade são magnésio,

sódio e cálcio, sendo esses utilizados na produção de titânio, zircônio, urânio e nióbio, os ditos

metais modernos.

2 OBTENÇÃO DO FERRO E DO AÇO

Os diversos ferros e aços são formas de ferro metálico que diferem entre si pelos seus

teores de carbono e outros elementos de liga e também pelo modo como são fabricados. O

carbono é o componente de liga mais importante porque é o principal responsável pela imensa

gama de resistências e de outras propriedades úteis nos aços.

O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão (transformado em

coque) e carbonato de cálcio (fundente). A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas:

preparação da carga, redução, refino e laminação.

A produção do ferro gusa a partir do minério se dá pela redução química do óxido nele

contido com o carbono. O equipamento usado é um forno de formato cilíndrico vertical e de

grande altura, por isso chamado de alto forno.

O alto forno é inicialmente carregado com o coque e depois aceso. Depois de

Aproximadamente 24 horas estará quente suficiente para receber camadas sucessivas de:

4

• Minério ;

• Coque (C);

• Substância Fundente (CaCO3)

FIGURA 2: Esquema da produção de ferro gusa.

O equipamento acessório e auxiliar do tem como objetivo limpar os gases que saem do alto-

forno, bem como pré-aquecer o ar que é introduzido no forno através das ventaneiras.

2.1 Processamento do minério para o alto-forno

Os principais minérios de ferro são:

- hematita, Fe2O3, com 69,9% Fe.

- magnetita, Fe3O4, com 72,4% Fe.

- limonita (hematita hidratada) 2FeO3.3H2O, com 48,3% Fe.

- siderita (FeCO3)

5

O minério de ferro é composto principalmente por ferro e ganga, que são impurezas. Ele é

classificado de acordo com o seu teor de ferro em:

• Rico → 60 a 70% de Fe

• Médio → 50-60% de Fe

• Pobre → <50%

O minério de ferro deve passar por uma série de operações para adequa-lo a utilização nos

altos-fornos. Aoperações compreendem: britamento, peneiramento, mistura, moagem,

concentração, classificação e aglomeração. A aglomeração tem o objetivo de melhorar a

permebilidade da carga no alto-forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de

redução. Dentre os processos de aglomeração estão a:

a) Sinterização: Consiste em aglomerar finos de minério de ferro numa mistura com

aproximadamente 5% de um carvão finamente dividido ou coque. A carga é aquecida por

intermédio de queimadores e com o auxílio de fluxo de ar. A temperatura que se desenvolve

durante o processo atinge 1.300 a 1500oC, promovendo a ligação das partículas finas do minério,

resultando num produto uniforme e poroso chamado sínter.

b) Pelotização: Neste processo é produzido inicialmente “bolas” ou “pelotas” cruas de

finos de minério de alto teor ou de minério concentrado. Adiciona-se cerca de 10% de água e,

geralmente, um aglomerante de natureza inorgânica. Uma vez obtidas as pelotas cruas, estas são

secas, pré-aquecidas e então queimadas.

2.2 Uso do carvão

O material combustível que apresenta melhor desempenho é o coque. O coque é

mecanicamente resistente, leve e poroso. Ele apresenta vantagens econômicas com relação a sua

obtenção e vantagens em termos de meio ambiente, ambas em relação ao carvão de madeira. A

hulha apresenta a desvantagem de contaminar o ferro com enxofre (elemento presente na sua

composição) que torna o material frágil.

Coqueria

O coque é o produto sólido da destilação de uma mistura de carvões realizada em torno

de 1100ºC em fornos denominados de coqueria. A destilação dá origem aos produtos

carboquímicos (gases, vapores condensáveis, benzeno, alcatrão, etc.) que são comercializados

pelas siderúrgicas. O gás de coqueria é um importante insumo para a própria usina. O processo

6

de coqueificação consiste no aquecimento do carvão na ausência de ar, levando à redução do

carbono.

Carvão (material orgânico) → C + gases + benzeno + alcatrão + outros

Função do coque no alto-forno:

- Fornecer calor necessário às necessidades técnicas do processo;

- Produzir os gases redutores;

- Carburar o ferro gusa.

2.3 Fundente e outras matérias-primas

O principal fundente é o carbonato de cálcio, CaCO3. A função do fundente é combinar-

se com as impurezas (ganga) do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas

“escórias”.

Na indústria siderúrgica também é utilizada a sucata de aço, o minério de manganês as

ferro-ligas de silício, cromo, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio, etc.

2.4 Reações no alto-forno

As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de

1.800 a 2000oC. Nesta região, verifica-se a reação:

C + O2 →→→→ CO2 Reação 1

Originando-se grande quantidade de calor.

Este CO2, ao entrar em contato com o coque incandescente, decompõe-se:

CO2 + C →→→→ 2CO Reação 2

O CO originado é o agente redutor.

A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente sofre

uma secagem.

A decomposição dos carbonatos, contidos no calcário dá-se a aproximadamente 800oC,

conforme as seguintes reações:

CaCO3 →→→→ CaO + CO2 Reação 3

MgCO3 →→→→ MgO + CO2 Reação 4

Além do CO como agente redutor, o próprio carbono do carvão atua nesse sentido.

7

FIGURA 2: Seção transversal de um alto-forno mostrando as reações químicas em cada

região (à esquerda) e as principais zonas (à direita).

Reações químicas de redução do minério de ferro:

3Fe2O3 + CO →→→→ 2Fe3O4 + CO2 Reação 5

Fe3O4 + CO →→→→ 3FeO + CO2 Reação 6

ou

Fe2O3 + 3C →→→→ 2Fe + 3CO Reação 7

Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho onde o ferro líquido

e a escória são depositados), inicia-se a formação da escória, pela combinação da cal (CaO) com

Minério

Coque

Zona

Granular

Zona

de Amolecimento

e Fusão

Zona

de Coque Ativa

Camada

em Amolecimento

e Fusão

Zona

de Combustão

Cadinho

Zona de

Gotejamento

Zona

de Coque

Estagnado

8

a ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quantidade de óxido de ferro e manganês.

Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa a gotejar através dos interstícios (espaços

vazios) da carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho.

Outras reações:

Mn3O4 + C →→→→ 3MnO + CO Reação 8

MnO + C →→→→ Mn + CO Reação 9

SiO2 + 2C →→→→ Si + 2CO Reação 10

P2O5 + 5C →→→→ 2P + 5CO Reação 11

FeS + CaO + C →→→→ CaS + Fe + CO Reação 12

As últimas reações são representadas pelas equações:

3Fe + C →→→→ Fe3C Reação 13

3Fe + 2CO →→→→ Fe3C + CO2 Reação 14

A escória e o gusa líquido separam-se por gravidade no cadinho (reservatório na parte

inferior), formando duas camadas, isto é, a inferior metálica e a superior de escória. Os dois

produtos são escoados do cadinho em níveis diferentes, ver a Figura 3.

O ferro fundido ou Ferro gusa que sai do forno é recolhido em moldes, e parte para a

próxima fase do processo ou é solidificado. O Ferro Gusa contém aproximadamente de 2% a 5%

de C, 2% de Si, e em menor proporção, fósforo e enxofre proveniente do Coque.

A escória tem a seguinte composição aproximada:

SiO2 - 29 a 38%

Al2O3 - 10 a 22%

CaO + MgO - 44 a 48%

FeO + MnO - 1 a 3%

CaS - 3 a 4%

A escória pode ser aproveitada de diversas maneiras. Um dos principais usos é na indústria

de cimento.

O gás de alto-forno é outro subproduto importante devido ao seu alto poder calorífico. Ele é

utilizado na própria usina siderúrgica. A sua composição aproximada é:

CO2 - 13%

CO - 27%

H2 - 3%

N2 - 57%

9

Referências Bibliográficas

CARVALHO, Geraldo C de; SOUZA, Celso L de.QUÍMICA. Volume Único. Ed.

Scipione,2005.

COTTRELL, A.H, Introdução à Metalurgia. 3ª Ed. Fund. Calouste:Lisboa,1976.

Manual de Siderurgia.

http://www.youtube.com/watch?v=XB8Ajxxm5SY.

http://www.youtube.com/watch?v=UtMy4ZY3jgc.

www.minitecnologias.com.br

www.ibs.org.br/siderurgia_usos_produção.

ecen.com/eee20/emiscar2.htm .