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MATERIAIS METLICOS CURSO: Engenharia Mecnica 5 Semestre Prof. Francisco Nascimento

UNIDADE I: NOTA DE AULA 04

3 - PROCESSOS DE FABRICAO DO AO

O ferro gusa uma liga ferro-carbono, em que o carbono e as impurezas normais (Si, Mn, P e S), principalmente o Si e o Mn se encontram em teores elevados. A sua transformao em ao, que uma liga de mais baixos teores desses elementos, corresponde a um processo de oxidao, por intermdio do qual, porcentagens desses elementos reduzida at os valores desejados. Para isto, ou seja, para transformao do ferro gusa em ao, utilizam-se agentes oxidantes, os quais podem ser de natureza gasosa, como ar e oxignio, ou natureza slida, como minrios na forma de xidos.

Assim sendo, os processos para produo do ao podem ser classificados de acordo com o agente utilizado:

=> Processos pneumticos, onde o agente oxidante o ar ou o oxignio;

=> Processos Siemens-Martin, eltrico, duplex, etc., em que os agentes oxidantes so substncias slidas contendo xidos.

Por outro lado, dependendo da composio do ferro gusa e do tipo de ao desejado, pode-se considerar ainda outra diviso dos processos de sua fabricao, qualquer que seja o tipo de forno:

=> Processos cidos, em que podem ser diminudos ou removidos facilmente os elementos carbono, silcio e mangans, no acontecendo, entretanto, o mesmo com o fsforo e enxofre.

=> Processos bsicos, em que todos os elementos acima podem ser reduzidos aos valores desejados.

As propriedades dos aos e, portanto, suas aplicaes prticas, so estreitamente condicionadas pelo teor de carbono. Numa mesma aplicao, pequenas variaes no teor de carbono e de elementos de liga determinam o desempenho da pea a ser produzida.

A fabricao do ao a partir do ferro gusa consiste essencialmente em se produzir, de forma controlada, a concentrao dos diversos elementos que entram em sua composio inicial, conforme indicado na tabela abaixo:

ELEMENTO FERRO GUSA ( % ) AO DOCE ( % )

Carbono 3 a 4 0,02 a 0,1

Silcio 1 a 3 0,02 a 0,1

Mangans 0,5 a 1,5 0 a 0,02

Enxofre 0,01 a 0,2 0,01 a 0,1

Fsforo 0,05 a 2 0,05 a 0,2

3.1 - Oxidao do Ferro Gusa

A reduo controlada dos teores dos elementos componentes do ferro gusa se deve ao fato de que os mesmos formam compostos intermetlicos com o ferro, os quais comprometem o desempenho do produto final.

O enxofre forma um sulfeto (FeS) de baixo ponto de fuso, que se precipita e segrega nos contornos de gro e que funde temperatura de forjamento, provocando o surgimento da fragilidade a quente. O fsforo forma um fosfeto (Fe3P) de elevada dureza, que faz surgir

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fragilidade a frio, impedindo o sucesso dos processos de conformao a frio. O prprio carbono forma a cementita (Fe3C), um carbeto de elevadssima dureza. Assim sendo, tais elementos, devem ser mantidos em teores controlados, em nveis abaixo dos que caracterizam o ferro gusa. Isto obtido simplesmente por meio de oxidao desses elementos, isto , pela passagem de oxignio (puro ou do ar) em meio massa do ferro gusa em estado lquido (~ 1600 C).

A tabela abaixo mostra as reaes de oxidao dos componentes do ferro gusa na fabricao do ao. A oxidao do ferro mostrada como referncia.

ELEMENTO REAO DE OXIDAO 1600C Carbono 2C + O2 -------> 2CO

Silcio Si + O2 -------> SiO2

Mangans 2Mn + O2 -------> 2MnO

Enxofre S + O2 -------> SO2

Fsforo 4/5P + O2 -------> 2/5P2O5

Ferro (referncia) 2Fe + O2 -------> 2FeO

Nas reaes mostradas na tabela acima, podemos verificar que:

So reaes nitidamente exotrmica, o que permite a manuteno da temperatura sem o auxlio de combusto paralela (queima de combustvel);

O fsforo apresenta reao de oxidao menos vivel e, visto que a oxidao de carter preferencial, ser esse o elemento de mais difcil oxidao, com reduo restrita do seu teor.

3.2 - Oxidao em Conversores

A oxidao do ferro gusa lquido pode ser feita por meio de insuflao de ar (pneumtica) em fornos denominados conversores Bessemer, conforme mostra a figura abaixo. Esses fornos podem ser cidos ou bsicos, em funo do tipo de escria e de refratrio utilizados.

Os conversores cidos so destinados a ferro gusa com teores desprezveis de fsforo, caso em que se pode formar escria cida e utilizar refratrios cidos base de slica (SiO2). Para ferro gusa com elevado teor de fsforo, utiliza-se o conversor bsico (ou conversor de Thomas) no qual se forma escria bsica por meio da adio de cal (CaO) como fundente, com a finalidade de escorificar o fsforo. Nesse caso, o refratrio dever ser tambm do tipo bsico (a base de dolomita ou magnesita).

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A figura abaixo mostra o grfico de variao da composio qumica do ferro gusa durante a sopragem de ar no conversor Bessemer para fabricao de ao.

As reaes de oxidao que ocorrem num conversor so suficientemente exotrmicas para aquecer o banho de 1300 C (ferro gusa lquido) a 1600 C (ao lquido) dispensando o uso de combustvel, porm limitando a reciclagem de sucata de ao para um mximo de 10% em peso. O tempo de oxidao em um conversor, tambm denominado perodo de sopragem, da ordem de 15 min., durante os quais se verifica a reduo dos teores dos elementos, como mostra a figura acima. Devido ao uso do ar como veculo de oxignio, haver eventualmente um aumento no teor inicial de nitrognio (principal componente do ar) que, em certos casos, poder ser prejudicial. 3.3 - Oxidao com Oxignio Puro Para se evitar o aumento do teor de nitrognio no ao, pode-se oxidar o ferro gusa com oxignio puro ao invs do ar. Nessas condies, a sopragem levar mais tempo e ter o comportamento conforme mostra o grfico abaixo. Isso pode ser obtido por meio de diversos processos, cuja vantagem permitir uma adio de sucata de at 20% de carga, sem necessidade de se queimar combustvel.

Os principais processos de oxidao em conversores por meio de oxignio puro so: => Processo LD Basicamente similar ao do conversor Bessemer com exceo de que o forno no apresenta uma caixa inferior de sopragem, conforme mostra a figura abaixo. A sopragem do oxignio puro feita por meio de um tubo, denominado lana, que introduzido pela boca superior do forno.

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Esse processo foi desenvolvido na ustria, e o nome LD vem das iniciais das duas fbricas que primeiro o utilizaram: Linz e Donawitz.

=> Processo KALDO uma derivao do processo LD, com a vantagem de se aplicar um movimento de rotao no corpo do conversor, a fim de se obter uma melhor homogeneizao do banho de ferro gusa que se oxida o ao. Esse processo foi desenvolvido na Sucia e o nome KALDO formado pela juno das primeiras letras do nome do seu inventor (Kalling) e da cidade onde o utilizou pela primeira vez (Domnarfvert). A figura abaixo ilustra o referido processo.

=> Processo ROTOR Provavelmente o mais eficiente dos processos de oxidao por meio de oxignio puro. Conforme mostra a figura abaixo, um desenvolvimento do processo KALDO, consiste num forno cilndrico que gira (~0,5 rpm) durante a oxidao e que apresenta duas lanas de oxignio. Uma das lanas inserida em meio ao banho de ferro gusa, onde sopra o oxignio primrio, destinado especificamente a oxidao. A outra lana sopra o oxignio secundrio, destinado queima do monxido de carbono que resulta da oxidao do carbono. Esse expediente permite que se possa colocar mais sucata, at 30% de carga.

=> Processo SPRAY Este o mais sofisticado dos processos de oxidao de ferro gusa por meio de oxignio puro. Baseia-se na oxidao gota-a-gota do ferro gusa, portanto, de grande eficincia. Entretanto, o

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custo do ao produzido ainda no competitivo com relao aos outros processos. A figura abaixo mostra o esquema de operao do processo de fabricao do ao por SPRAY.

3.4 - Processo Siemens-Martin

A necessidade de se reciclar grandes quantidades de sucata na fabricao do ao faz com que o processo Siemens-Martin ainda seja bastante utilizado hoje. Esse processo permite a utilizao de ate 50 ou 60% de sucata na carga. Por esse motivo, necessita-se queimar combustvel para que se possa fundir a carga. Para aumentar a eficincia trmica do processo, o forno Siemens-Martin conta com um sistema de regeneradores de calor que operam de forma alternada. Esse processo, cujo esquema de carga e vazamento foi desenvolvido de forma simultnea por Siemens (Alemanha) e por Martin (Frana) pode chegar a uma capacidade de carga de entre 500 e 600 toneladas de ao e seu tempo de operao pode variar de 8 a 16 horas. As figuras abaixo ilustram este processo.

3.5 - Forno Eltrico

Finalmente, a fabricao do ao, principalmente os de maior qualidade, pode ser feita em fornos eltricos. Este processo pode operar com at 100% de sucata e com carga slida, motivo pelo qual necessita de grandes quantidades de energia, obtidas atravs da formao do arco eltrico entre trs eletrodos de grafita e a carga slida. Sua capacidade pode variar de 10 a 50 toneladas de ao e seu tempo de operao pode variar de 1 a 2 horas. A figura abaixo ilustra o referido processo.