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Cap 1 – PRODUÇÃO DO FERRO- MATÉRIAS PRIMAS DA INDUSTRIA SIDERURGICA
A siderurgia é um setor básico e prioritário da economia e desenvolvimento industrial. Ela abrange todas as etapas para que a partir de matérias primas conseguirem a obtenção do ferro e aço. O mais utilizado para o MINERIO de FERRO é o do ALTO FORNO, no qual tem como produto o ferro gusa que quando no estado liquido é encaminhado para a aciaria, logo após para fornos adequados, saindo em formas de lingotes, tarugos, blocos e placas.
Em meados do século XIII descobriram que era possível obter ferro mais duro e resistente a partir de resfriamento rápido em agua.
Matérias primas para a siderurgia
MINÉRIO DE FERRO: Extrai-se o ferro (matéria prima essencial). Contem muito ferro: óxidos (magnetita, hematita, limonita), carbonatos, sulfetos e silicatos. As principais jazidas encontram-se em MG, MT, AM. O beneficiamento do minério: Britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração.
AGLOMERAÇÃO: melhora a impermeabilidade da carga do alto forno, reduz o consumo de carvão e acelera a redução e reduz os materiais finos. Os processos mais importantes são: Sintetização (Aglomera finos de minérios de ferro através de uma grelha que se move, no final dela possui queimadores responsáveis por ligar as partículas finas resultando no sínter). Logo após é resfriado. Ele pode ser melhorado adicionando calcário. Pelotização: Produzem-se pelotas ou bolas cruas de finos de minérios de alto teor, logo após são queimadas com dispositivos como a grelha continua móvel. No processo as pelotas são secadas, pré-aquecidas e queimadas.
CARVÃO: Combustível, redutor de do minério através do carbono, fornecedor de carbono. O COQUE permite que temperaturas mais elevadas sejam atingidas, por serem menos inflamáveis. Produção do coque: realizado em altas temperaturas em câmeras fechadas. O tempo é 17 a 18 horas, no fim do tempo o coque é retirado por uma maquina desenformadora e encaminhado para torre de extinção, para apagar o coque incandescente. Carvão Vegetal: o aquecimento é feito em fornos de tijolo refratário. O calor é aplicado a madeira sem presença de oxigênio, resultando em gases, líquidos e resíduos sólidos(carvão vegetal).
CALCÁRIO: Atua como fundente, reage com os produtos estranhos ou impurezas, produzindo a escoria. No Brasil há muito.
MINERIO DE MANGANES: no alto forno ou como ferro liga, utilizado como dessulfurante e desoxidante
SUCATA DE AÇO: possui economia de minério de ferro, carvão e calcário, devido ao seu emprego nos fornos de aço, em lugar do ferro gusa do alto forno.
CAP 2- PRODUÇÃO DO FERRO GUSA: ALTO-FORNO
10 mil toneladas por dia de ferro gusa.
CONSISTE na redução dos óxidos do minério de ferro mediante emprego de um redutor-carvão- atua como combustível e supridor de carbono para as ligas ferro carbono.
CONSTRUÇÃO DO ALTO FORNO: É constituído de três partes principais: cadinho, rampa e cuba. Cadinho: onde acumula o metal fundido e a escoria, abaixo dele tem-se o furo de corrida do gusa, permanece fechado durante a operação, mas por ocasião da corrida do gusa é aberto mediante a lança de oxigênio. VENTANEIRAS: responsáveis por soprar o ar pré aquecido e sob pressão. Rampa: zona mais quente, espessura menor que do cadinho, inclinação de 80 a 82° com a horizontal. Cuba: seção menor para cima, pode superar 25 m. Copo e cone: realizar uma distribuição uniforme de carga e evitar a evasão de gases para a atmosfera. Coletor de poeira recolhe a poeira carregada nos gases. Lavadores extrai o pó para a parede do aparelho, e levado ao fundo por uma camada de agua que escorre pelas paredes. Estufas ou regeneradores de calor: aparelho armazenador de calor ??????.
Para o primeiro funcionamento do alto forno: utiliza-se maior proporção de coque para acelerar o aquecimento do revestimento refratário, como para formar uma quantidade maior que a normal de escória. À medida que a combustão do carvão progride, a proporção dos vários elementos constituintes da carga é modificada até atingir a normal.
A escória resulta da combinação do CaO e do MgO do calcário com a ganga do minério e as cinzas do carvão, forma-se na rampa à 1200 °C. É caracterizado por sua grande fluidez e seu baixo peso específico. Assim ela se separa do gusa por ação da gravidade, ficando a metálica superior e ela abaixo. PODE SER EMPREGADO: lastros de ferrovias, material isolante, cimento metalúrgico.
PRODUTOS DO ALTO FORNO: O principal produto é o ferro gusa, logo após é encaminhado para a aciaria, no estado liquido, onde será transformado em aço.É ainda utilizado no estado solido para fundição de ferro fundido.
Gusa: é uma liga de ferro-carbono de alto teor de C(3 a 4,5%), e teores variáveis de silício(0,5 a 4%), manganês(0,5 a 2,5%), fosforo(0,05 a 2%) e enxofre(0,2% max).
PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO: elevação do ar soprado e controle da umidade. Injeção de combustível através das ventaneiras(permite menor consumo de coque e controla melhor a temperatura do cadinho. Adição de O no ar: aumenta muito o rendimento, porem é caro. Operação de alta pressão: faz-se pressão no ar, podendo dessa forma introduzir mais do mesmo, aumentando a produção.
CAP 3- FABRICAÇÃO DO AÇO
A transformação do gusa em aço é basicamente ocorrido pelo processo de oxidação da liga FeC para diminuir impurezas(C, Si, Mn, P, S).
Processo pneumático: introduz ar ou oxigênio, pelo fundo, lateral ou pelo topo, por intermédio de uma lança.
O tradicional utiliza-se o conversor BESSEMER. Sendo as reações de oxidação dos elementos contidos no ferro gusa liquido fortemente exotérmica, principalmente do silício, não há necessidade de aquecimento, dispensando combustível. No final o aço contém baixo teor de C(inferior a 0,10%),Mn(abaixo de0,5%), Si (0,005%), P(0,08%) e S(0,25%). Para o controle do processo, das chamas, utiliza-se o espectroscópio, célula fotoelétrica e visualmente. carga: Gusa liq. Vant: ciclo curto. Desva: não controla C, elevado N e óxidos, gera poeira.
Conversor Thomas: semelhante ao anterior, no entanto, possui um revestimento de dolomita. A principal diferença do primeiro é que o de Bessemer reside nas reações químicas que permitem remoção do fosforo, pela utilização de cal, no qual é possível por ser revestido de material refratário de natureza básica. Combustivel: ar comprimido. Carga: gusa liq, cal. Vant: alta capac; usa gusa com alto P. Desv: Gusa com baixo Si, S levado teor de N e Oxidos, gera poeira.
Conversos LD: Lança-se O puro por cima. Uma característica do processo é a possibilidade de interromper a oxidação do carbono ao atingir um teor um pouco abaixo do desejado, o que facilita a recarbonetação posterior e possibilita a obtenção de aços de C mais elevado. Carga: gusa liq, cal. Vant:mínima contaminação com N. Desv: poeira.
Processo SIEMENS- MARTIN: processos: carregamento e fusão da carga, período de trabalho ou de refino, acabamento da corrida. Aproximadamente 10 hs. Consiste em aquecer uma determinada carga de material ferroso num forno de sola mediante um combustível, em mistura com o ar, ambos previamente aquecidos em recuperadores ou regeneradores de modo a atingir uma temperatura de vazamento de 1650ºC.
Processo duplex:combinação de processos. Ex: conversor Bessemer acido e Siemens-Martin básico.
Processos elétricos: elétrico a arco:utiliza-se um eletrodo de grafite, carga é sucata gussa, minério e cal. Vantagens: temp alta, controle, bom aproveitamento térmico. Desv: pequena capac. Alto custo
Elétrico a Indução: corrente de indução, sua carga é a sucata, vantagens: fusão rápida, exclusão de gases, alta eficiência. Desvantagem:pequena capacidade, alto custo.
CAP-IV PROCESSO DE REDUÇÃO DIRETA
Trata-se de uma forma de obtenção do ferro esponja. Caracterizado de uma massa escura e porosa. Trata-se óxidos de ferro praticamente puros a temperaturas( 950 a 1050°C) na presença de uma substancia redutora. Os processos tem por objetivo eliminar o alto forno, produzindo aço diretamente do minério ou produzindo-se um material intermediário, a ser empregado como sucata nos fornos de aço. É aconselhável para os países que nos dispõem do melhor carvão de pedra ou não possui minérios de alto teor de Fe.
Processo SL/RN: o redutor é coque moído. A carga: concentrados de minérios de ferro, coque e calcário. É levada ao forno rotativo, o produto solido resultante é resfriado e o ferro separado por separador magnético. O coque é removido e reutilizado.
Processo Hoganaes: são carregados em cerâmicas camadas de minério de ferro com alto teor de Fe, moinha ou finos de carvão coque e calcário. O recipiente é aquecido depois resfriado no interior do forno, removido e o ferro reduzido é separado. Obtem –se o ferro esponja Gasta-se 12 dias.
Processo Wiberg- Soderfors: Redutor é gasoso. É feito em um forno em forma de chaminé. Os gases redutores: H, CO, coque ou carvão de madeira, são aquecidos eletricamente. O produto é resfriado em uma câmara resfriada de agua e em seguida encaminhado aos fornos de aço.
Processo Midrex: O redutor é uma mistura de CO e H obtidos pelo gas natural "re-formado". A carga consiste de pelotas de oxido de ferro.
Processo HyL: O combustível resulta de gás natural misturado com vapor.
CARACTERISTICAS DO PROCESSO DE PRODUÇAO DIRETA
Menor volume de produção; uso de gás natural, baixo custo; baixo investimento inicial; exige minério de alta qualidade; dispensa uso de carvão; baixas temperaturas; instalação compacta.
CAP V- PROCESSO DE FUNDIÇÃO CONTÍNUA
Permite a moldagem de aço liquido diretamente em formas estruturais. O aço liquido é vazado por uma panela, em seguida é borrifado água, desta forma os moldes formam uma cratera, sendo que no interior ainda está liquido. A medida que a peça vai caminhando para baixo, ela vai se solidificando.
CAP VI- PRODUÇÃO DE METAIS NÃO-FERROSOS
Cobre: concentração do seu minério, depois é peneirado, britado, moído, e adicionado agua misturada com produtos químicos adequados. Insufla ar, agitando as moléculas e formando pequenas bolhas de ar onde se fixam partículas solidas de sulfetos de cobre e de ferro, que começam a flutuar, formando uma espuma rica em cobre. Logo após é passado para o refinamento, no qual o concentrado é levado p um forno de reverbero com fundentes (formar escoria), depois o mate é oxidado num conversor. Depois disso recebe o nome de cobre blister, no qual deve ser refinado pela refinação a fogo.
Aluminio: o minério predominante é a bauxita, compreende em duas fases: obtenção da alumina, a partir do minério; eletrolise da alumina.
Zinco:O principal mineral é a blenda.
Estanho: o principal minério é a cassiterita
Chumbo: o principal minério é a galena.
CAP VII- LIGAS FERROSAS, DIAGRAMA - FERRO CARBONO
- Aço com teores de carbono ate 2%.
- Ferros fundidos, com teores de carbono acima de 2%, raramente superiores a 4%.
Aço carbono: contem geralmente 0,008% ate 2,11% de C
Aço liga: contem outros elementos de liga ou apresenta elementos residuais em teores acima dos que são normais.
Ferro fundido cinzento: C acima de 2% com teores de silício de 1,20% a 3%. A concentração é de tal ordem que forma-se carbono livre, formação de lamelas ou veios de grafita. Apresenta fratura com coloração escura. A medida que teor de C aumenta, tornam-se mais moles, menos resistentes e mais usináveis. No entanto a ductibilidade é nula, devido a presença de C livre , em veios de grafita. Devido ao silício produz a decomposição do Fe3C, em Fe e C, este ultimo na forma de grafita.
Ferro fundido branco: teor de silício menor que o cinzento, devido ao menor teor e as condições de fabricação, apresenta C inteiramente combinados, resultando numa fratura clara. É constituído de cristais alongados de cementita e fundo de ledeburita.
Ferro fundido mesclado: fratura de coloração mista entre branca e cinzenta.
Ferro fundido maleável: apresenta grafita na forma de núdulos(em vez de veios) devido ao tratamento de maleabilização que submete o ferro fundido branco.
Ferro fundido nodular: grafita na forma esferoidal, um tratamento ainda no estado liquido.
Diagrama: é chamado de metaestável pois ocorrem modificações com o tempo , que afastam as reações do equilíbrio estável.
Aços eutetoides: com teor de carbono do ponto eutetoide, 0,77%.
Aço hipoeutetóide: C entre 0 e 0,77%;
Aço hipereutetoide:teor entre 0,77 e 2,11%;
Ferro fundido eutético: C do ponto eutetico 4,30%;
Ferro fundido hipoeutetóide: C entre 2,11e 4,30%;
Ferro fundido hipereutético: C acima de 4,30%.
Austenita é um constituinte estrutural de boa resistência mecânica e apreciável tenacidade e não magnético. É a solução solida de carbono no ferro gama.
Fe3C: é um carboneto 6,67% de C, muito duro e frágil.
Perlita: propriedades intermediarias entre as do ferro puro(pouco resistente, mole, dúctil) e a cementita(muito resistente, dura, frágil).
Em temperaturas ambientes, existe uma estrutura composta de perlita e ferrita, no qual a medida que se aproxima do ponto eutetoide a perlita aumenta e a ferrita diminui.
Ferro comercialmente puro: ferrita, mole, dúctil e pouco resistente;
Aços hipoeutetoides: ferrita mais perlita, cuj resistência e dureza vão aumentando e cuja ductibilidade vai diminuindo, à medida que encaminha para 0,77%C;
Aços hipereutetoides: perlita mais cementita: a quantidade desta aumenta nos contornos de grãos a medida que encaminha pra teores mais elevados de C, é dura, resistente e pouco dúctil.
Ledeburita: austenita mais cementita, corresponde a um fundo de cementita, 6,67%C e cristais dendriticos de austenita com 2,11%C
CAP VIII- DIAGRAMA TRANSFORMAÇÃO-TEMPO-TEMPERATURA
Dependendo da velocidade e tempo que é resfriado o aço, pode obter diferentes estruturas. Para explicar isso utiliza-se o diagrama TTT. Ele diz que o inicio da transformação da austenita é muito demorado a estrutura resultante é a perlita grossa, com baixa dureza.
A medida que a temperatura decresce a demora de inicio e fim de transformação é menor, a granulação da perlita se torna mais fina(perlita fina), com dureza elevada.
Em torno 550ºC ocorre o menor tempo de inicio e fim de transformação. Joelho.
A partir disso o tempo aumenta novamente, surgindo a bainita: dureza elevada.
Na faixa de 200 a 100ºC ocorre a transformação que não depende do tempo, formando a martensita, tem dureza elevada, pode ser explicada por seu rápido resfriamento. A estrutura é tetragonal compacta. É considerada a mais dura e mais frágil dos aços.
DIFERENTES LOCAIS DE RESFRIAMENTO: em agua: as camadas superficiais atingem as linhas de formação da martensita sem tocarem as curvas da austenita, o centro ao contrario sofre transformação parcial da austenita em perlita fina.
No óleo: o centro sofre transformação total em perlita fina ao passo que a superfície sofre transformação parcial. A parcela não transformada da austenita adquirirá a estrutura martensitica mais abaixo.
No ar: a superfície apresentará uma perlita mais fina que no centro.
Influem linha de transformação:
Composição química: os elementos exceto o cobalto tendem a jogar a linha para a direita, retardando a transformação da austenita.
Tamanho de grãos: o tamanho do grão deve deslocar a curva para a direita. Para controlar é feito adição de elementos.
Homogeneidade: quanto menos homogênea, ou seja, qto maior a qtidade de carbonetos residuais ou áreas ricas em C, a tendência de deslocar para esquerda.
Temperabilidade: a capacidade do aço endurecer. Diminui (granulação fina da austenita;inclusões não dissolvidas). Aumenta (elementos de liga(-Co); granulação grosseira; homogeneidade).
CAP IX- TRATAMENTO TERMICO E TERMOQUIMICO DAS LIGAS Fe-C
Tratamentos: Recozimento: remove tensões, diminui dureza, aumenta ductibilidade, regulariza a textura bruta de fusão. Obtêm-se ferrita+perlita=hipo; perlita+cementita= hiper e somente perlita se for eutetoide. A temperatura deve ser mais ou menos 50 °C acima da zona critica. Outro tipo é para o alivio de tensões em que o aquecimento é feito abaixo da zona critica. No ferro fundido branco é para reduzir tensões e melhorar propriedades mecânicas. Acima de 800ºC, resfriamento deve ser lento. Para o ferro fundido cinzento, melhora a usinabilidade, além de aliviar tensões. Raramente atinge a zona critica de aquecimento, para diminuir a dureza, ou melhorar a usinabilidade a temperatura deve ser acima da linha eutetoide.
Normalização: objetivos parecidos, no entanto busca obter uma granulação mais fina, portanto melhores propriedades mecânicas. O resfriamento é mais rápido, no ar.
Tempera: obter a estrutura martensitica, oque exige resfriamento rápido. Aquece-se o aço acima da zona critica e resfria com óleo, agua, salmoura ou ar.DUREZA DA MARTENSITA o carbono que se dissolve no ferro gama é insolúvel no ferro alfa. Resfriando rapidamente não da tempo do C se separar totalmente. Com isso os espaços no ferro alfa não são suficientes para alojar o C, formando a solução solida supersaturada de C no ferro alfa. Como ela tem altas tensões, ela é levada para o revenimento, no qual visa corrigir os excessos da tempera, corrigir a excessiva dureza e consequentemente fragilidade, melhorando a ductibilidade e resistência ao choque. É realizado a temperatura abaixo da zona critica
Tempera superficial: apenas a superfície dura, como nas engrenagens, no centro e dúctil. Tempera por chama:supercie aquecida por uma chama e resfriada por borrifo de agua. Tempera por indução: utiliza bobinas de indução através das quais flui corrente elétrica, pode-se controlar a profundidade de aquecimento.
TRATAMENTO ISOTERMICO: austempera: temperatura acima da zona critica, seguido de resfriamento rápido p evitar transformação da austenita, até o nível para transformação de bainita. Pode substituir o tratamento de tempera e revenido. Obtêm aço de temperabilidade elevada. Não apresenta bons resultados para peças grandes. Martempera: obter martensita. É diferente da tempera pois quando começa a formar a martensita, o resfriamento é retardado, de forma que se forme mais lentamente. Depois vai para o revenido como a tempera comum. Diminui os riscos de empenamento das peças durante o tratamento.
TRATAMENTOS TERMOQUIMICOS: cementação: temp. acima da zona critica, consiste em colocar C na superfície de aços de baixo C. a profundidade de cementação depende da temp.; concentração de C. devem possuir granulação fina. Antes da cementação eles devem ser normalizados para permitir usinagem
Nitretação: endurecimento superficial pela ação de N, permite tbm alta resistência ao desgaste, melhor resistência a fadiga, à corrosão e a calor.
Cianetação: banho de cianeto fundido, ocorrendo enriquecimento de C e N. resfriamento com agua ou salmoura.
Carbo-nitretação:atmosfera gasosa contendo C e N ao mesmo tempo.
Boretação: elemento boro.
