Processos Metalúrgicos: Da Extração ao Acabamento

Rentabilidade da Extração de Minério

Os fatores que determinam se a extração de minério é rentável são:

• Localização: Profundidade, consistência do terreno, facilidade de transporte, etc.
• Forma de extração indicada: Pedreira, mineração subterrânea, etc.
• Natureza e qualidade da ganga e do minério: O teor de minério deve ser de pelo menos 40-50%, e o minério não deve conter enxofre.
• Fatores sociais e econômicos: Demanda e oferta reais.

Papel do Calcário e Coque na Produção de Ferro

O carvão de coque, produzido pela combustão, fornece o calor necessário para as reações químicas de redução (desoxigenação) e para derreter o minério em um forno especial. O calcário (dolomita) tem a função de diminuir o ponto de fusão da escória, tornando-a fluida e reagindo quimicamente com a ganga presente no minério para formar a escória.

Processo de Produção em um Alto-Forno

Etapas do Processo no Alto-Forno

1. Primeira Etapa: Verificar se as portas de limpeza estão fechadas, abrir as saídas de escória e de ferro-gusa, e os bicos de ar.
2. Segunda Etapa: Colocar o combustível no fundo e acendê-lo.
3. Terceira Etapa: Após o acendimento, introduzir um terço do carvão de coque até aquecer. Em seguida, o outro terço, e finalmente o restante. Quando todo o material estiver incandescente, verificar se a zona de fusão está preenchida.
4. Quarta Etapa: Introduzir rapidamente os restantes componentes de forma intercalada (coque, calcário, minério de ferro) e iniciar o processo. Este processo ocorre de forma contínua, com a incorporação de novos componentes e a remoção de ferro e escória, mantendo o forno sempre em operação.

Procedimentos para Produção de Aço

Processos de Sopro (Conversores)

Forno a Oxigênio (LD)

• O fundo é coberto com tijolos refratários (de composição química básica).
• Utilizado para obter aço de qualidade extraordinária.
• Produz 300 toneladas de aço por lote.

Operação do Forno LD

• O processo é realizado inclinando o forno.
• Adiciona-se ferro líquido, fundentes e/ou sucata.
• Por último, adicionam-se carbono e os elementos de liga necessários.

Conversores Thomas e Bessemer

• O processo é semelhante ao do LD, mas utiliza uma mistura de oxigênio e nitrogênio, o que confere dureza ao aço. Este método está praticamente em desuso.
• O conversor Bessemer é usado quando não há impurezas de enxofre e fósforo. O conversor Thomas, com revestimento de calcário dolomítico, remove fósforo e enxofre.

Processos de Forno de Cuba (Siemens-Martin)

Forno Siemens-Martin

Consiste em misturar ferro-gusa com sucata de aço de baixo carbono, para que o teor de carbono seja reduzido ao limite desejado. Em uma soleira (ácida ou básica, conforme a necessidade de remover fósforo e enxofre), deposita-se sucata de aço e calcário (fundente). Após atingir alta temperatura, o ferro-gusa é adicionado, e a mistura derrete. Amostras são retiradas regularmente para corrigir o processo.

Processos Elétricos

Forno Elétrico a Arco

• Possui um revestimento refratário. São construídos para cargas de até 100 toneladas.
• É carregado principalmente com sucata de aço selecionada.
• Materiais de liga, como Ni, Cr, Mo, etc., são adicionados.

Operação do Forno Elétrico

1. Introduz-se fundente (cal) no forno.
2. O metal é derretido por 3 eletrodos de grafite, entre os quais e a sucata, saltam arcos elétricos poderosos que fundem o metal.
3. A escória produzida é removida, adiciona-se carbono (como carvão ou antracite) e toda a massa é aquecida.
4. Em seguida, adicionam-se ligas metálicas (ferrossilício, ferromanganês), sílica e cal para remover o excesso de enxofre.
5. Finalmente, todo o aço derretido é vazado para uma panela especial que o levará para a área de fundição.

Classificação das Fundições por Teor de Carbono

As fundições de ferro são ligas de ferro que contêm entre 2% e 5% de carbono. Em geral, são frágeis e duras, mas resistem muito bem à compressão. Possuem baixa resistência à tração. São classificadas em ferro fundido branco, cinzento, maleável e dúctil.

• Ferro Fundido Branco: (primeira fusão) O carbono está combinado com o ferro na forma de cementita, o que lhe confere uma cor branca quando fraturado. Vem diretamente do alto-forno e seu teor de carbono varia entre 2% e 3%. É um material frágil, duro e difícil de usinar, sendo utilizado em peças sujeitas a alto desgaste.
• Ferro Fundido Cinzento: (segunda fusão) O carbono está na forma de lamelas de grafite, o que lhe confere uma cor cinzenta. É obtido pela fusão de ferro-gusa e sucata em um forno de cúpula, similar ao alto-forno, mas em menor escala. É um material frágil, não adequado para forjamento ou soldagem, mas é facilmente usinável. Sua capacidade de absorver vibrações e baixo custo o tornam ideal para formas complexas.
• Ferro Fundido Maleável: É um subproduto do ferro fundido branco que é tratado termicamente para conferir-lhe maleabilidade e ductilidade, reduzindo a fragilidade e aumentando a capacidade de deformação. É utilizado em peças que não estão sujeitas a grandes forças mecânicas.
• Ferro Fundido Dúctil (Nodular): Obtido pela adição de magnésio (e por vezes níquel) ao ferro fundido cinzento. Estes elementos fazem com que a estrutura da grafite se torne nodular, o que proporciona características semelhantes às do ferro fundido maleável, mas com maior resistência mecânica e boa ductilidade.

Processo de Fundição e Moldagem de Metais

Este processo consiste em despejar o material derretido em moldes que lhe conferem a forma final desejada. Os materiais ideais são aqueles com pontos de fusão mais baixos, como as ligas de ferro. Para aços de alta liga, é necessária uma fundição especial.

As operações são:

1. 1. Fusão do Metal

   É realizada em fornos ou conversores. O material fundido é transferido em panelas ou carros-torpedo.

2. 2. Preparação do Modelo

   O modelo tem a mesma forma do objeto a ser obtido e geralmente é feito de madeira. No seu projeto, é necessário considerar a contração do material, as limitações para os detalhes de construção, etc.

3. 3. Preparação do Molde

   Com base no modelo, constrói-se uma matriz que pode ter uma entrada para o material fundido (canal de vazamento) e uma saída para os gases (respiro).

4. 4. Vazamento (Casting)

   Consiste em verter o metal fundido no molde, e pode ser feito de várias maneiras:

   • Vazamento Direto: O molde é preenchido pela parte superior, o que favorece a solidificação do metal.
   • Vazamento por Sifão ou Fundo: O metal é vertido por um canal e entra pela parte inferior ou base do molde. Isso permite uma melhor remoção do ar e evita poros ou bolhas. Uma desvantagem é que pode não preencher bem e solidificar muito material nos canais.
   • Vazamento Lateral: É um compromisso entre os outros dois métodos, mas pode resultar em maior desperdício de material.
   • Lingotamento Contínuo (Recomendado): O metal derretido é despejado em um molde sem fundo, cuja seção transversal tem o formato do produto desejado. O material sai da máquina sem interrupção até que toda a panela de metal seja vazada, resultando em menos desperdício, economia de moldes, energia e trabalho.

5. 5. Acabamento

   A peça é removida do molde, limpa, rebarbada, e os canais de alimentação e respiros são removidos. Também pode ser aplicado um tratamento térmico para eliminar as tensões internas causadas pelas mudanças de temperatura.

Processos de Deformação de Metais

O processo de deformação é aquele que confere a forma final ao material, seja por deformação a quente ou a frio. Entre eles:

• Forjamento: É a aplicação de deformação plástica, tanto a frio quanto a quente, sem remoção de material. Resulta em boas propriedades mecânicas e peças sem bolhas.
• Laminação: Realizada a quente ou a frio, é um processo de deformação plástica que consiste em comprimir o metal entre rolos.
• Estampagem a Quente: É um forjamento realizado de forma mecânica, utilizado para obter peças maiores e em série.
• Estampagem a Frio: Chapas de metal são deformadas a partir de material fino previamente obtido. De acordo com a sua forma, pode ser: perfuração, dobramento, prensagem, alongamento e corte.

Processos de Usinagem (Remoção de Cavacos)

É utilizado para fabricar peças com maior precisão, empregando máquinas-ferramentas que substituem o trabalho manual. Os mais utilizados são:

• Plaina, plaina limadora, torno, furação, fresagem, retificação e mandrilamento.

Tratamentos Térmicos e Termoquímicos de Metais

É possível melhorar as propriedades mecânicas dos metais por meio de tratamentos térmicos e termoquímicos, como têmpera, revenimento e recozimento.

• Têmpera: Consiste em aquecer o material (a cerca de 900 °C) e resfriá-lo rapidamente em um líquido. Aumenta a dureza e a resistência, mas também a fragilidade.
• Revenimento: É um tratamento semelhante à têmpera, mas o material é aquecido a uma temperatura mais baixa (cerca de 700 °C) e resfriado moderadamente. Desta forma, corrige-se a dureza excessiva e a fragilidade.
• Recozimento: Envolve o aquecimento do aço (a cerca de 1100 °C) e o resfriamento lento. O material perde sua estrutura cristalina, tornando-se mais macio e fácil de trabalhar.
• Cementação: Processo termoquímico em que a temperatura das peças de aço é elevada, colocando-as em contato com carbono. Isso confere alta dureza superficial, mantendo a tenacidade do núcleo do aço.